爲什麼恆星核聚變到鐵元素就進行不下去了?

綠葉菜719


答:主要原因,是鐵元素繼續聚變的條件,在恆星的主序星時期和紅巨星時期是達不到的!


我們太陽屬於中等質量恆星,目前處於主序星時期,主要進行著氫元素向氦元素轉變的過程。



在未來,當太陽的氫元素轉化到一定程度後,太陽內部的溫度繼續升高,然後就會點燃氦元素,向氧元素和碳元素轉化,進入紅巨星時期。

以太陽的質量,就不能繼續轉化了,在紅巨星時期,太陽把最外層的物質吹向四周,形成行星狀星雲,最後留下一個緻密的內核成為白矮星。


對於更大質量的恆星,在完成碳、氧、硅元素的聚合後,會繼續進行聚變反應,直到生成鐵元素為止,鐵元素的生成意味著恆星開始死亡。

鐵原子的核子結合能是最高的,也可以說:鐵原子的平均核子質量最小,所以鐵原子最為穩定。



但這並不意味著鐵元素不能繼續聚合。

要點燃鐵元素,需要接近100億度的溫度,而且鐵元素繼續聚合需要吸收能量,這樣的反應條件在恆星內部是達不到的。




只有在一些極端事件,比如超新星爆發、中子星合併等事件中,才能生成比鐵元素更重的元素。然後隨著爆炸被拋出,形成其他行星類天體。





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艾伯史密斯


關於這個問題,需要了解什麼是比結合能。除了氕原子核外,其他原子核均是由質子與中子(統稱核子)通過強核力結合在一起。為了使原子核中的核子分開,需要克服它們之間的強核力,對應所需的能量被稱為結合能。把原子核的結合能比上核子數(質子和中子數之和)就是比結合能,比結合能越高,原子核越穩定。各原子核的比結合能如下圖所示:

從上圖中可以看到,鐵-56的比結合能在所有原子核中最高,這意味著它最為穩定,它很難發生核聚變,也很難發生核裂變。比鐵更小的原子核發生核聚變之後,結合為更重的原子核,其反應釋放出的能量大於吸收的能量,所以這種放熱反應很容易進行下去。但到了鐵核聚變之時,其反應釋放出的能量則會小於吸收的能量,所以這種反應會不斷消耗能量。

對於那些最初質量在太陽8倍以上的恆星,它們的核聚變從氫核聚變開始,能夠持續合成重元素。通過核聚變反應產生的巨大能量來對抗自身的引力坍縮,恆星能夠保持平衡的狀態。但一旦開始鐵的核聚變反應,恆星內部的能量會被大量消耗,從而迅速導致恆星內部失衡,在引力坍縮的作用下而發生超新星爆發。因此,恆星核聚變到鐵元素並不是進行不下去,而只是鐵的核聚變很快會引發恆星毀滅。事實上,通過氦核作用,鐵還能進一步聚變為鎳:

在超新星爆發的過程中,鐵還會通過俘獲中子合成各種超鐵元素。


火星一號


就像我們的太陽一樣,所有恆星都是通過核聚變來發光發熱的,這是因為聚變的過程中會釋放能量,恆星通常都是從氫元素開始聚變,由氫元素聚變成氦元素,通常為四個氫原子聚變成一個氦原子,但是鉅變之後的氦原子比4個氫原子的質量要小,這說明在這一過程中會有質量損失,而損失的質量正是轉變成了能量。



通常大質量恆星從氫元素開始聚變成氦元素之後,會順著元素週期表一路向上聚變,因為氦元素可以聚變成鋰元素,接著鈹元素,硼元素等一直聚變下去,直到出現鐵元素的時候,這個恆星的死亡時刻就會到來,因為一旦鐵元素在恆星內部開始出現,就代表著超新星爆發要開始了,這顆恆星會發生劇烈的爆炸,之後轉變成一顆中子星或者黑洞。


那麼為什麼進行的鐵元素的時候,恆星內部的核聚變就不能再進行下去了呢?原因說起來也簡單,就是鐵之前的元素再聚變成鐵元素的時候已經不是能量釋放狀態了,而是需要吸收能量才可以做到。

為什麼鐵之前的元素聚變的時候可以釋放能量,但是鐵元素就不能再釋放能量而需要吸收能量了呢?這裡就必須得說一下中子的形成了,當一個質子和一個電子合成中子的時候,它是需要吸收能量的,因此中子的質量通常要比一個質子和一個電子相加之和要大。



鐵原子的構成是26個質子26個電子和30箇中子,合成如此多的中子需要吸收大量的能量,因此合成鐵元素需要吸收的能量已經超過了低級元素據變成鐵元素原子核釋放的能量,所以當恆星內部出現鐵元素的時候,就代表著這顆恆星內部需要吸收的能量已經超過了其釋放的能量。


當恆星內部不再釋放能量的時候,它的內部輻射壓將陡然減少,巨大的引力壓縮之下,所有的物質都會向核心集中,因此恆星塌縮現象就發生了,而且這樣的事情只發生在一瞬間,巨大的質量會將恆星的中心元素進一步聚變,所以這一瞬間也會產生鐵以及鐵以上的很多元素,而且這些元素都是需要吸收能量的,恆星的中心會產生1000億度的高溫,在劇烈的高溫高壓之下就形成中子星,而當中子星形成之後,繼續坍縮的物質撞擊到中子星的表面就會被反彈出去,從而也就會發生劇烈的超新星爆發現象了。


如果恆星中心但溫度更高壓力更大,溫度超過3000億度,那麼很可能就會產生黑洞了,產生黑洞的超新星爆發的時間通常都很短暫,因為黑洞會迅速吸收發生超新星爆發的恆星的物質,幾乎會將整個恆星都吸入其中。


人類的方向


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


為什麼恆星核聚變到鐵元素就進行不下去了?

其實並不能這麼說,如果從廣義恆星的演變過程上來確認的話,所有的元素,當然除了氫元素之外,都是在恆星的不同階段所產生的,但唯有氫,恆星不能生產,因為這是恆星的原材料!

宇宙暴漲模型(圖片來自維基),大爆炸後的三分鐘內,宇宙的溫度降至10億度,宇宙中最基本的元素氫和氦形成,從此開始經過了黑暗時代後的宇宙將是恆星的天下,但各種生成條件不一樣,恆星的壽命與過程是不一樣的,這個從物質的聚變合成條件中可以看出!

上圖中右側的數字太陽質量的倍數,很明顯我們的太陽只能到碳氧後就壽終正寢了,二更大的恆星則可以走得更遠,但質量再大的恆星到了Si聚變成鐵以後.....就結束了,因為鐵以後的元素聚變不但不能釋放還要吸收能量,那麼僅僅憑藉此時內核的溫度與條件是遠遠不夠的,當然在這個聚變成鐵後但在超新星爆發之前的恆星內核過程是非常複雜的,比如會生成及少量的鈷、鎳、銅、鋅,但鋅已經是最終產物了,恆星中不可能生成比這個更後的元素了!

上圖中鐵元素就是頂點

在鋅(原子序號30)的元素就只能在超新星爆發獲得的巨大的能量中形成了,但也並不是所有的重元素都能在超新星爆發中合成,比如黃金等,極高質量的超新星會形成極少量的金元素,但更多的是在中子星合併過程中大量產生,據稱上次LIGO檢測到的引力波的那次中子星合併,估計其合成的黃金超過地球質量.....

恆星的命運

太陽的未來就是白矮星,太陽也形成不了黃金,即使有也是他繼承的......

太陽的光譜成分表明它至少是二代天體!


星辰大海路上的種花家


原先年輕時候的恆星是依靠著氫核聚變,過程是這樣的,在它出生的時候,原始恆星內部的溫度是逐漸變高的,溫度高到了一定程度之後,原子破裂,電子跑了出來,原子核裸露在外,當溫度進一步增加,原子核移動的速度加快,這樣就克服了原子核之間的庫侖力。

幾個原子核“砰”的撞在了一起,在如今的太陽中就是這樣的局面,4個氫原子核“砰”撞在了一起,形成一個氦核,並釋放出能量,產生輻射壓,抵抗自身引力收縮。

現在太陽核反應區裡的溫度穩定在了1500萬攝氏度左右,氫原子核只管繼續撞擊就行,當原料用完了,咋辦?中心全是氦核了,咋辦?

沒了能量了,引力收縮要佔據上風了,恆星要收縮了,剛一收縮沒多點,核心溫度因為收縮而升高,那麼氦核聚變反應的條件達到了,這樣恆星又可以快樂的抵抗自身引力收縮了。

就是這樣,不同的核聚變反應在關鍵時刻進行交接,繼續通過核聚變反應釋放能量抵抗重力收縮。

可是大質量恆星到了硅聚變時,當硅全部聚變完成時,這時候,大質量恆星核心處可都是鐵-56了,這玩意可與之前的弟兄們不同,它聚變的條件太高了,想要聚變就得吸收更大更大的能量,因為它的比結合能最大,意思就是說,想要把它的原子核給拆開,需要費最大的力氣。

現在的恆星本就已經苟延殘喘了,抵抗自身重力收縮都來不及了,哪還有多餘的能量供你鐵核聚變啊,完了,大質量恆星沒有能量來源了,瞬間,一剎那間,所有物質猛地砸向了中心的鐵核,這導致了鐵核壓力越來越大,中心物質密度越來越高。

而那些砸向中心的所有物質由於觸底反彈,以接近光速的十分之一速度被拋射出去,這就是超新星爆發,而爆發過後,原本的恆星中心核已經成為了中子星或者是黑洞。


一枚遊戲科幻迷


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


打個比方 你借錢給別人 abcdefg都是有借有還 雖然利息一個不如一個還得多 但到了h這裡 他也是有借有還 但還的還沒本金多 借出去100還你80 慢慢你的公司就沒流動資金然後破產了


蔥餅蝦


這個很簡單,就是元素週期表到了鐵的這個位置,全部質子的電場排斥力 已經接近質子與中子的核吸引力.

核子數少時,質子數量小,正電場斥力大大小於核子引力,這就是氫可以聚變反應產生氦,釋放出巨大的能量,而要讓氦分解為氫則要輸入巨大的能量.

同理,當核子總數比鐵多得多時,質子的正電荷排斥就大為增強,原子核就變得不穩定,這就是為什麼元素週期表的後部 大部分是放射性元素的道理.

而要想發生核裂變還得具備2個條件,一是核表面要有個"缺口″,二是要有慢速運動的中子,這樣慢中子擊中"缺口″,這個原子核就會被自己強大的正電場"炸″開來,釋放出巨大的能量及小"碎片″,這也就是為什麼元素週期表後部雖然都是不穩定的放射性元素,卻只有小數元素同位素適合做核裂變的材料原因.


羅老頭89


依人類目前科學水平看,根本就無法回答此問題。

而且,題目的理論成不成立也無法得知。我們知道,每顆恆星離我們人類實在太遙遠了,而且,溫度極高,人類無法去近距離對其進行科考,一些理論都只能是猜測,從來都沒有證實過。

不過,此次我要打破常規,也來個想像性的回答!我不包真實性。我們知道,只有磁鐵才有磁性,磁鐵能吸引鐵。而恆上的核聚變後,的確生成了鐵,而且是具有磁性的鐵,這種具有磁性的鐵,產生巨大的磁場,吸引著整個恆星系的所有行星,並且讓這些行星按即定軌道運轉,不致混亂,不能離開恆星系,也不能向恆星靠近,我們的太陽,就是這個原理。至於說,為什麼恆星聚變後,到鐵就為止了,不是我們搞得清的,那可是微粒子學。這使得我們佩服上帝的大能。!

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