爲什麼恆星核聚變到鐵元素就進行不下去了?

綠葉菜719


這個涉及的能量的釋放和吸收問題。以鐵原子為界限,原子序數小於鐵的核聚變是釋放能量的,此時的核聚變稱為氫核聚變,也稱為熱核聚變。恆星釋放光熱能量,發生的就是可控熱核聚變。



而大於等於鐵核聚變的核聚變是吸熱的,屬於重核聚變。在恆星星核內,氫核聚變的末期,已經產生了很多的重核(鐵核),這個時候下,可反應的氫核數量較少,釋放的核能量也較少。或許這時候釋放的能量可以支持少量的重核發生核聚變,但是隨著氫核的完全反應,已經沒有能量支持重核反應了。所以,恆星的核反應也就聚變到鐵核為止。當然了,這個過程中還是有少部分比鐵核重的元素形成,要不宇宙中怎麼會有鐵核以上的元素呢?



當然,更重的元素,就需要極端的天體事件才能形成。例如金元素,據猜測就是在中子星合併已經超新星爆炸的時候產生的,因為只有這種極端環境下,才有足夠能量和壓力,支持重核聚變產生重金屬元素。


PhD肖


用一種簡單的方法解釋吧,其實實際上比這個複雜得多,所以這種方法解釋估計不是太對。

粒子的組成很複雜,但簡單來說常見基本粒子就三種,中子、質子和電子。質子帶正電,電子帶負電,中子中性,就重量來說中子最重,幾乎就是質子加電子的重量。那麼,是不是質子和電子合成就可以是中子了?可說是,也可以說不是。中子分解的話,生成一個質子,一個電子,還有一箇中微子。質子和電子合成的話,直接吸收足夠能量就變成中子。原理複雜,但是根據質能守恆記住,中子>質子+電子。

好了說正題,恆星聚變反應,極其複雜,並不是教科書上簡單描述的兩個氫變一個氦那麼小清新。不考慮溫度和各種高速。基本你可以理解成為汪洋大海般的中子、質子、電子和其他粒子海洋裡,飄著幾個成型的原子核。其中的中子、質子、電子還在不斷的組成更多的原子核。與此同時,中子、質子、電子也在不斷轉化,中子分裂,放出能量,合成中子吸收能量,保持一個平衡。

對於小核原子來說,捕捉中子比較困難,原子構成中氫最常見的是氫1,也就是氕,原子核只有一個質子,正常配對一質子一中子的氫2,也就是氘自然界已經很少了,氫3氚地球上直接沒有。到氦以後正常點,一比一配對是主流了。但是原子越大,捕捉中子的能力就越強。大家都聽說過鈾235鈾238吧,這是鈾最主要的同位素,但是注意,鈾只是92號元素,只有92個質子,按一夫一妻製法律規定,鈾應該是鈾184,但是可惜,這東西不存在。鈾最常見的,就是鈾238,整整多了54個小三。

我們再次回到聚變,在生成越來越大的原子核的過程中,每次組成更大的原子核都會放出能量,要是每次都只用同比例的質子和中子組成原子核,那粒子海洋裡沒什麼變化,反應持續產生,恆星發光發熱。但是原子核越來越大之後,每次合成,質子拐帶的小三中子就越多,粒子海洋裡中子比例減小,平衡被打破了。平衡一旦打破,同樣時間裡合成中子的速度就會高於中子分解的速度。前面說過,合成中子吸收能量,於是,粒子海洋降溫了。恆星是氣態的,靠高溫高壓不被引力壓塌。一旦降溫,恆星末日就到了,開始塌陷。根據恆星大小,最後小的變為矮星,慢慢縮小冷卻成一個金屬球,大點的超新星爆發成為中子星,更大的成黑洞,但是不管變什麼,都不是恆星了,恆星的臨界點在降溫塌陷那一刻。理論上講,也就在合成出鐵元素的時候,恆星開始降溫了。所以可以說,鐵元素是恆星最後能聚變產生的物質。

但是現在在超新星爆發中發現了比鐵重的元素,不過,那已經不能算恆星了吧。


黑夜0166


謝邀。恆星核聚變到鐵元素就進行不下去了,其根本原因還是恆星的質量太小了,鐵元素的形成是行星形成內核的關鍵,我們以太陽系中的太陽為例子;再經過50億年,太陽中的氫元素被消耗完,其內核慢慢地從氫變成氦,這是開始燃燒氦元素,同時其尺寸將膨脹達到火星軌道,變成一顆紅巨星,如果連氦元素也燃燒完了,那麼恆星的外層就開始消散,只留下內核本身,從而變成和地球一樣大的白矮星。


1:由於質量不夠大,白矮星內部只能產生元素週期表中鐵以前的元素,這時太陽就成了宇宙中的一顆死星。現在開始擴大質量,如果恆星的質量是太陽的40倍或更高,那麼以上的過程就會更加迅速,此時恆星叫做超紅巨星,恆星內部自然可以產生鐵元素以前的元素,並且是一顆混合星,但是當產生元素的進程到達鐵元素時,熔合過程不能產生大量能量,經過幾十億年後這個巨大的核熔爐就會關閉;

2:但此時的恆星質量還是非常大,在巨大的引力下,恆星內部開始坍縮,電子將倍被壓進原子核,這時恆星的密度是水密度的4000億倍,溫度將達到萬億度,由此恆星開始爆炸形成超新星,巨大的熱量將合成鐵以後的重元素,這就是重金屬元素的形成過程。



在這裡我們可以想到,地球上有大量的鐵礦石,在地球形成之前,就有一顆已經死亡了的超新星,其拋出的隕石碎片內含有鐵礦石,然後被太陽的引力俘獲形成今天的地球。所以,地球上的重金屬元素基本都是死亡的恆星合成的,只有當恆星的引力大到可以將電子壓入原子核時,恆星的核聚變進程才能持續到鐵以後的元素。


零維立方體


原因很簡單,鐵聚變釋放的能量小於使其發生聚變所需的能量。

也就是說它越聚變恆星的能量反而越小了,這樣就沒有產生能量來抵禦引力坍縮,所以恆星直接就坍縮了。

元素核聚變產生的能量來自質量虧損,元素越輕,核聚變產生的質量虧損越大,也就是產生的能量越大。而元素越重,原子核所包含的質子越多,由於電磁力的同性相斥,因此越難發生聚變。越重的元素,需要點燃核聚變的溫度越高,產生的能量轉化的溫度越低,到了鐵,剛好就產生核聚變所需的能量剛好大於核聚變釋放的能量。


星宇飄零2099


恆星核心聚變到鐵元素的時候,釋放的能量不足以讓鐵元素繼續進行聚變反應,也就是說此時的核聚變是一種“吸熱反應”,導致核心的輻射壓力不能抵抗重力,恆星核心進一步收縮,達到1.4倍太陽質量的時候,電子簡併力無法再抵抗重力,鐵核心突然崩潰急劇收縮,溫度瞬間上升到幾十億度,湧出大量高能中微子,將鐵原子核炸裂並分解成質子和電子,壓力急劇上升,瞬間又把電子擠壓進質子內變成中子,於是一箇中子化核心形成。恆星外層物質在重力作用下以30000km/s的速度墜向中子化核心並反彈形成衝擊波,將整個恆星外層全部炸碎吹散到宇宙中,形成II型超新星爆發,留下一個高速旋轉的中子星(脈衝星)。


老卡2017


聚變能釋放能量,但是產生聚變也需要能量。氫的聚變僅需要很小的能量而釋放出能量遠比吸收的能量多得多,隨著聚變向重元素延伸這種比值越來越小,直到鐵元素產生聚變的能量與釋放的能量平衡,如果聚變繼續向高元素走則產生的能量小於吸收的能量所以聚變不能繼續。


唐文耀1


一般聚變和裂變都會放出能量,然而聚變和裂變是相反的反應,而且聚變是輕的原子聚變成重的原子,裂變是重的原子分開成輕的原子。如此這兩種反應會有一箇中間點,比如所有元素排在一根直線上,能聚變的原子在左邊,能裂變的原子在右邊,鐵就正好在中間點。自然界的物體自發的都是往能量低方向變化,鐵就是能量最低點。所以到鐵就停止了


迷失47202257


在鉄以下原子的聚變反應,都是減少質量,放出能量。鐵以後則相反。因此達不到鏈式反應所需要的溫度。當然和裂變反應一樣,這裡也有個概率問題。一群多核原子受到一束快中子轟擊,並不是形成完全一樣的碎片。聚變反應時,一些核子撿到局部的能量漏,會形成一些比鐵原子重得多的原子。


分享到:


相關文章: