用戶273943791

只有大於約9-12倍太陽質量的恆星演化，才能在中心達到鐵核階段。

這種大質量恆星演化過程極快，只需幾百萬年氫就基本消耗完了，它的產物氦形成氦核，隨後氦核聚變出碳，碳原子繼續轉化為更重的原子核，在引力作用下使恆星內部形成洋蔥殼層狀，不同質量的元素分層進行融合，每一層都依靠下一層的聚變產生的熱能與輻射壓力支撐，直到這一層的燃料消耗殆盡，每一層都比其外層的溫度高、燃燒快，且內層的重元素的原子結合能的增加導致聚變反應釋放的能量不斷減少。

當恆星核合成的過程開始產生鐵56，鐵原子必須吸收能量才會核聚變，接下來的過程都將消耗能量，因為結合成原子核所釋放出來的能量小於將母原子核擊碎所需要的能量。重元素層燃燒速度極快，從硅到鎳的過程只需要一天或幾天左右時間，重元素合成的終點準確的說會在鎳56處終止，因鎳56不穩定，還會衰變成鐵56。

所以說宇宙在恆星核心的鐵鈷鎳元素位置設置了一個極限。

當恆星內核中的聚變不再有能量釋放時，這個內核就無法維持恆星向內的引力與向外的輻射壓之間的平衡，壓力之下鐵核中心溫度持續升高，如果這個鐵球核心的質量積聚到突破錢德拉塞卡極限，鐵原子核捕獲氣體中的電子，因電子是形成氣體壓力的主要原因，而此時已沒有任何聚變反應能夠阻止坍縮的發生，星體由此開始災難性的坍縮，在極高的密度下各種基本粒子被充分擠壓，使得所有質子和電子都合併成了中子，最終使得恆星內部的高密度氣態鐵球變成了中子星甚至黑洞。

這個事件會釋放出驚人的能量，中子星形成後崩落的外殼物質反彈並形成向外傳播的衝擊波，可能會把恆星的外殼物質以巨大的速度拋向空間形成超新星爆發事件。這種由大質量恆星的鐵心災變引發的超新星事件是宇宙中最常見的中子星產生方式。

地球上的鐵就是這樣來的，包括我們血液中的鐵元素。

聽松

聚變的過程，是低原子量的元素聚合在一起，產生更高的原子量的元素。同時釋放出能量。

在這個過程中，首先他們需要使用自身的一些能量，使得核子突破力的束縛。這個時候是要消耗能量的。

但核反應的後期部分，又會釋放能量。

只有釋放的能量大於消耗的能量，這個過程才能持續下去。否則根本無法突破勢能壁壘。

這就給了聚變反應提了兩個要求：

一、高溫：突破勢能壁壘；

二、反應要釋放能量：這樣反應才能持續。

恆星中的鐵，符合第一個要求，高溫；但不符合第二個要求——釋放能量。

這是各個元素同位素的結合能。鐵的結合能最高。

換句話說，不論是聚變還是裂變，到了鐵就不能進一步產生能量了。而反應也就無法維持了。而看看最右邊的U235, U238，他們的結合能就比較低，所以能裂變產生能量；左邊的氫、氦，結合能也都很低，所以也能聚變產生能量。唯獨鐵，結合能最高，無法通過升高結合能的方法釋放能量。

章彥博

題主和前面答主的一個認識細節不對呢。恆星核聚變不止進行到鐵就停止了，而是到鎳-62！科普界普遍引用的恆星核聚變到鐵為止是一種誤解。我們先來說說這個核合成終點的問題。

另外我假設題主可能是想知道恆星核聚變“為什麼……到鐵元素就停止……”，實際上超新星爆照末期的聚變可以一直持續到錒系的釷、鈾和鈈。

我們先來看看化學元素週期表

上圖：鎳的原子量是28，位於鐵後面，中間還隔了一個鈷（原子量為奇數的元素通常沒有為偶數的穩定）。

（該查表的時候就要查查表）

鎳-62才是終點！

鎳-62是鎳的同位素，具有28個質子和34箇中子。它是鎳的一種穩定的同位素，具有任何已知核素中核子平均最高的結合能，高達8.7945兆電子伏。人們常說Fe-56是“最穩定的原子核”，但僅僅因為Fe-56具有所有核素中每個核子最低質量（但不是核子平均結合能）。

但Fe-56平均每個核子的質量最低是因為Fe-56具有26/56 = 46.43％的質子，而62Ni僅具有28/62 = 45.16％的質子，而Fe-56中較多的且質量較輕的質子拉低了其核子平均質量。這就是為什麼有相當多的科普文誤以為鐵-56是恆星核合成的終點。但實際上結合能最低的鎳-62才是終點！

上圖：核子結合能曲線，Ni-62才是最高的，接著是Fe-58，然後才是Fe-56。這三種元素被稱為“鐵組同位素”，是宇宙中結合最強的三種核子。

為什麼恆星核聚變合成只進行到鎳-62？

之所以恆星核聚變只能進行到鎳-62，那是因為在鎳-62和鐵-56之前（我們通常會把兩者並提，因為這兩者之間的鈷-56產物非常不穩定）的元素通過核合成形成時會釋放出淨能量，但越過了鎳62之後的核合成雖然可以進行但實際上是吸收能量的，在恆星內部高溫下，這些核素實際上無法真正穩定形成（從某種意義上受到熱力學第二定律限制）。

鎳同位素的高結合能通常使鎳成為整個宇宙中許多核反應（包括中子俘獲反應）的“最終產物”，這也解釋了鎳在宇宙中相對較高的丰度。雖然宇宙中大部分鎳是通過超新星爆炸產生的鎳-58（最常見的同位素）和鎳-60（第二大），其他穩定同位素（鎳-61，鎳-62和鎳-64）非常罕見。這表明大多數鎳是在超新星核心蹋縮後立即從鎳-56捕獲中子的過程中產生的，逸出超新星爆炸的鎳-56會迅速衰變為鈷-56然後再衰變為穩定的鐵-56。結合能排名第二和第三的是Fe-58和Fe-56，其每個核子的結合能分別為8.7922 MeV和8.7903 MeV。

上圖：純鎳單體

被誤解的“鐵”

對鐵-56更高核結合能的誤解可能源於天體物理學。在恆星的核合成過程的光蛻變和α捕獲之間的競爭導致產生的鎳-56比鎳-62更多，而鎳-56則在後來恆星外殼噴射過程中衰變為鐵-56。這就是為什麼最後恆星當中的鐵比鎳多的原因了(都怪光蛻變)。

光蛻變（也稱為光轉換）是一種核過程，原子核吸收高能伽馬射線進入激發態，並通過發射亞原子粒子而衰變。入射的伽馬射線能夠有效地將一個或多箇中子、質子或α粒子從核中撞出。對於比鐵重的原子核，光致蛻變是吸熱的（吸收能量），少量會放熱（能量釋放）。光蛻變是超新星當中通過p-過程產生某些富質子重元素的原因。

上圖：光蛻變原理示意圖

鎳-56是超新星生命結束時硅燃燒的天然終端產物，是以14次α捕獲（4x14=56）並自碳開始構建更多重元素的階梯聚合反應的產物。超新星燃燒中的α過程自此結束，後面再通過α捕獲而產生的鋅-60所需能量高得多，這形成了一種能量壁壘，防止了恆星核合成中α階梯的延伸。而鎳之後的重元素則都是在超新星爆炸後的最後一秒中形成的。

上圖：11個α過程在恆星內次第展開，像是梯子一般。

未來這種誤解會越來越深，因為最後的宇宙沒有“鎳”

然而，28個鎳-62原子還可在恆星核合成之後的過程中聚合成31個鐵-56原子，釋放出0.011u的能量;因此，在假設通過Adler-Bell-Jackiw反常的質子衰變足夠緩慢的前提下，沒有質子衰變的宇宙，未來將會只有“鐵星”而不會有“鎳星”。

在天文學中，鐵星是一種假想類型的緻密星體，可能在極遠的未來，發生在大約在10的1500次方年後的宇宙中。

量子隧穿導致的冷聚變會使普通物質中的輕核聚合成鐵-56核。而重核則通過裂變和α粒子輻射使重核衰變成鐵，最後恆星完全轉化為一顆顆的冷球鐵。(⊙o⊙)——但這隻有在質子不衰變的前提下才有可能發生。

總結

所以，恆星核聚變，而不是所有的核聚變（超新星爆炸最後一秒的核聚變是特例）最高到鎳才停止，但因為鎳會因為光蛻變變成鐵，所以最後就剩下了更多的鐵，甚至最後宇宙就只有鐵球（鐵球宇宙？）。結合能在“鐵組同位素”達到巔峰，這是造成恆信核聚變在此處結束的本質原因。

小宇堂

首先，很多人一提到核聚變，第一反應是它能釋放出巨大的能量，但你有沒有想過為什麼會發生核聚變？ 原因就是必須要使用本身的能量，然後發生核聚變釋放出更大的能量。

所以要想發生核聚變，必須有足夠的很大的能量才可以達到！ 太陽為什麼能持續不斷地發生核聚變？就是因為太陽巨大的質量產生的萬有引力讓物質向內塌陷產生超高的溫度和壓力，繼而引發了核聚變！

那麼為什麼恆星聚變到鐵就停止了呢？ 因為鐵比較特殊，鐵是自然界最穩定的元素，核聚變到鐵元素過程中吸收了大量能量，但不能釋放出了能量了（因為鐵最穩定），於是在聚變成鐵的過程中能量幾乎被消耗殆盡，沒有足夠的能量當然不會讓核聚變繼續下去！

而超新星爆發正是在聚變成鐵元素後，能量幾乎被消耗殆盡的時候發生的。我們都知道恆星之所以很穩定，就是因為核聚變產生的向外巨大推力與恆星質量向內的萬有引力取得了平衡！

而如今聚變成鐵元素的過程中消耗了巨大能量而沒有釋放能量，核聚變停止了就沒有力量與萬有引力抗衡，於是恆星幾乎所有的物質在萬有引力的作用下急劇向內坍縮！

向內坍縮的速度非常快，撞擊鐵質內核，因此產生巨大的能量，能量幾乎全部施加到鐵質內核上，鐵元素有了足夠的能量再次引發了聚變，聚變成更重的元素！

這個過程是非常短暫的，而恆星物質撞擊鐵核產生的巨大反作用力把鐵核以外的物質拋向太空，這就是超新星爆發，非常壯觀！

宇宙探索

大質量恆星的核心通過核聚變反應會逐漸合成越來越重的元素，這些元素會在中心逐漸富集。當鐵元素被合成出來之後，它們也會集中到恆星的中心。然而，不像題主在問題描述中所設想的那樣，鐵周圍的那些情核元素是無法再進行核聚變的，因為反應所需的溫度和壓力是不夠的。而至於為什麼當恆星合成出鐵之後，核聚變反應將會宣告終止，這與恆星本身的動態平衡有關。

恆星需要源源不斷的核聚變反應來向外輻射出巨大的壓力，以此才能對抗自身的重力，這種流體靜力學平衡貫穿恆星演化週期的大部分時間。之所以核聚變反應能夠不斷維持下去，是因為它們產生的能量要比吸收的能量更多，所以總得來說，恆星是在淨輸出能量，在鐵之前的元素都符合這種過程。

然而，到了鐵之後，其比結合能達到了極大值，這要大於比鐵更輕和更重的元素。因此，鐵的核聚變反應是在淨吸收能量，因為該反應產生的能量少於吸收的能量。這樣就會使恆星的重力佔據主導作用，流體靜力學平衡被打破，導致恆星內部受到強烈擠壓而引發劇烈的超新星爆炸。

從這裡可以看出，恆星的核聚變反應在產生鐵元素之後並沒有停止，而是鐵還會進一步發生核聚變反應，結果會產生更重的元素，比如鎳：

只是鐵的核聚變反應會迅速消耗巨大的能量，這會導致恆星在短時間內失去平衡，最終發生超新星爆發。此後，鐵會俘獲中子繼續合成其他重元素。

火星一號

恆星能夠源源不斷地放出熱量是因為發生了自持式聚變反應，敲黑板，重點是自持式，這才是考點。

圖釋：上圖為我國合肥等離子所的“人造太陽”超導託卡馬克實驗裝置

在我國的超導託卡馬克實驗裝置東方超環（EAST）實現持續放電101.2秒，這個已經是世界最長的記錄了，此前的記錄是60秒，就是因為反應不能自持下去，或者說外界輸入的能量大於核聚變輸出的能量，鐵的聚變即是如此。

鐵也可以發生聚變反應，當能量和壓力滿足聚變反應的條件，鐵仍然可以發生聚變反應，只是因為鐵的平均結合能是目前發現得元素當中最大的，維持鐵核聚變反應消耗的能量要大於鐵核聚變反應放出的能量，即鐵不能發生自持式聚變反應。

圖釋：上圖為元素的比結合能曲線，從圖中可看出鐵的比結合能是最大的，即將鐵核分散成單個核子所需要的平能能量是最大的。

當鐵核聚變將恆星儲存的能量消耗殆盡之後，維持聚變的高溫環境將不在，恆星便不能再繼續發生聚變。

今天的科普就到這裡了！更多科普歡迎關注本號！

核先生科普

題主這個問題問得有問題！只能說：人類目前推測認為太陽內部核聚變只能生成鐵及其以下的元素，這是為什麼？！地球上比鐵重的元素多的是，這些元素是哪來的？

1、太陽如果真的只能合成鐵及其以下的元素，則應該是因為其內部的壓力和溫度不足以全面比鐵更重的元素；

2、太陽和地球等太陽系的天體中存在一定量的比鐵重的元素，且這些元素的丰度在內行星中最高，外行星中則丰度很低。究其原因應該是因為行星是由太陽噴射物質太陽風形成的，通過分選作用，使重元素主要聚集在內行星區域，而外行星區域則重元素稀少。這也是行星成因的一個佐證吧；

3、那麼太陽系比鐵重的元素是哪來的呢？本人認為是銀河系中心產生的，並通過噴射作用向兩個對稱的方向不停地噴射，部分物質到達了太陽系並被太陽和其他天體捕獲而來。

關於以上推理的具體分析請參見本人的相關文章：

彭曉韜

隨著相對論的提出，人們發現無論是重核的裂變還是輕核的聚變，都伴隨著大量的能量放出！所謂重核和輕核的分界線就是鐵元素，也就是說在元素週期表中，鐵之前的元素理論上都可以發生聚變，之後的元素只能發生裂變了！這又是為何呢？
這還得從
比結合能說起，原子核內的核子之間是靠核力結合在一起的，要把它們分開，就得給原子核一定的能量，這個能量被稱為該原子的結合能。但是，由於不同元素原子的核子數量不同，比較它們的結合能意義不大，於是人們又定義原子的結合能和它的核子數的比，為比結合能！下圖就是不同元素的比結合能曲線

體壇大蜀暑

這只是基於地球引力環境得出的結論。在大引力場中，鐵仍然會聚變。按上述理論鐵應該是宇宙中最多的物質，而事實並不如此。我們可以這樣認為，在恆星內部存在較大原子量（甚至超過幾萬，而不只是U235之類）的元素物質，而中子星甚至可能是無窮大的原子堆積。

之所以可控核聚變到今天仍然沒有取得突破進展。其根本原因是人類無法制造一個較大的穩定引力場（超過聚變所需的臨界值，非溫度，溫度只是表象）。元素間聚變的首要條件是環境引力場一定要達到臨界值，然後是是物質密度。我認為恆星的聚變反應事實上是發生在表面，當宇宙空間中的氫氦及他們的同位素受到引力作用，聚集到恆星的表面，此時引力場超過了它的臨界值，物質的聚集密度達到一定值，就產生了聚變反應，同時恆星內部也在發生不同類別的聚變反應，也就是更大元素的合成，因而我們所觀測到的恆星光譜主要是氫氦等輕元素的聚變反應。當物質聚集必須要達到更深的深度，才能夠產生足夠的聚集密度，而此時引力場已經非常大（遠遠超過了它的聚變臨界值），以至於聚變反應所產生的可見光線受強引力作用不能向外部放射，我們就看到了白矮星褐矮星和紅巨星，是因為可見光譜根據紅黃藍紫的能量順序，越來越難以逃離。在更深更大的引力場環境中，才能達到臨界聚變密度時，所有可見光都不能逃逸，這種天體我們稱之為黑洞，然而我們卻能夠觀察到無線電波。事實上矮星、中子星等大的天體或者是黑洞的周邊，由於極大的引力作用，其空間早就被他們清空了，缺少聚變反應的物質，因而我們通常是覺得他們已經燃燒完了。當矮星，中子星，黑洞等天體短時間內吞食大量物質時（捕獲其他星體），在其外部空間（可以滿足輕物質聚變的引力場條件）聚變物質密度，迅速達到臨界值，因而其聚變反應所釋放的光熱等能夠穿到外部空間放到宇宙中，這樣我們就看見了超新星爆發或者黑洞的發光現象。

handben

說到核反應可以分為兩大類: 一類是較輕的原子核聚合成較重的原子核並釋放能量，另一類則是由較重的原子核分裂成較輕的原子核並釋放能量。

如果你有一定的邏輯思維能力，你可能會給自己提個問題: 既然輕原子可以合成重原子並釋放能量，而重原子又能分裂成輕原子並釋放能量，那豈不是可以循環釋放能量，變成永動機機了？非也! 這裡的輕原子與重原子是以元素週期表為範圍，分佈在元素週期表的兩側，它們並不重疊的。

如果你有一定的邏輯思維能力，就會隱隱約約的感覺到: 既然輕原子核蘊含著較高的內能，以致於融合成較重原子還可以釋放能量，而較重的原子核也具有較高的內能，以致於分裂成較輕原子也釋放能量，也就是說分佈在元素週期表的兩側的原子核內能都比較大，中間的原子核內能較小，原子核的內能就像一個U性曲線，那麼就必定存在著一個最低點，在這個點上該原子核的內能最低，以致於該原子無論是聚合反應還是裂變反應，都是要消耗能量的，因此所有的核反應抵達這個原子時就無法繼續進行下去了，還真有這樣一個原子，那就是鐵原子。

當恆星中的核聚變或者核裂變的最終產物是鐵原子時，核反應就無法再持續下去，因為任何以鐵原子為材料的核反應都是耗能型的，而不是放能型的，所以恆星發展到鐵原子階段，核反應就停止了，核能量停止釋放。

但對於恆星來說，這可就是災難性的時刻，因為恆星除了原子能以外，還有一個巨大能量等待釋放，那就是引力勢能，因為恆星體積巨大，質量巨大，而使得恆星上的物質相互吸引而產生極其巨大的引力勢能，當恆星還處於正常核反應階段，它依靠核反應釋放的巨大光能在恆星內部產生極大的輻射壓力，來對抗巨大的引力壓力，導致暫時的壓力平衡，恆星得以保持體積上的穩定，但核反應一旦停止，內部光壓消失，則引力最終取得這場持續了數十億年的壓力對抗的勝利，恆星在巨大的引力作用下，開始內爆，也就恆星外殼物質在引力作用下向內心坍塌，這個坍塌的速度極快，據計算可達每秒4萬公里，隨著坍塌的持續，恆星中心物質密度越來越高，硬度也越來越大，當外層物質高速衝撞核心物質時，會發生巨大反彈，併產生猛烈的外爆，這就是超新星大爆炸。

宇宙就是這麼的有趣，地球上的所有生命都得感謝恆星的死亡大爆炸，正是由於超新星爆炸的極端物理條件，在這爆炸的一瞬間會製造極其巨量的重元素，也就是構成我們生命的那些元素，而且同時又被拋撒到茫茫太空中，這樣才可能供第二代、第三代恆星重新聚集，才有機會構成地球，一切生命故事才得以展開。

所以，不要害怕地獄，組成你我身體的元素，都曾經歷比地獄嚴酷萬倍的條件。

至於恆星爆炸後剩餘的中心物質的形態，就需要根據恆星的初始質量來確定，若初始質量<3倍太陽質量時，則是中子星，否則就是黑洞。

關鍵字: 核聚變 鐵核 鐵元素