用户273943791

只有大于约9-12倍太阳质量的恒星演化，才能在中心达到铁核阶段。

这种大质量恒星演化过程极快，只需几百万年氢就基本消耗完了，它的产物氦形成氦核，随后氦核聚变出碳，碳原子继续转化为更重的原子核，在引力作用下使恒星内部形成洋葱壳层状，不同质量的元素分层进行融合，每一层都依靠下一层的聚变产生的热能与辐射压力支撑，直到这一层的燃料消耗殆尽，每一层都比其外层的温度高、燃烧快，且内层的重元素的原子结合能的增加导致聚变反应释放的能量不断减少。

当恒星核合成的过程开始产生铁56，铁原子必须吸收能量才会核聚变，接下来的过程都将消耗能量，因为结合成原子核所释放出来的能量小于将母原子核击碎所需要的能量。重元素层燃烧速度极快，从硅到镍的过程只需要一天或几天左右时间，重元素合成的终点准确的说会在镍56处终止，因镍56不稳定，还会衰变成铁56。

所以说宇宙在恒星核心的铁钴镍元素位置设置了一个极限。

当恒星内核中的聚变不再有能量释放时，这个内核就无法维持恒星向内的引力与向外的辐射压之间的平衡，压力之下铁核中心温度持续升高，如果这个铁球核心的质量积聚到突破钱德拉塞卡极限，铁原子核捕获气体中的电子，因电子是形成气体压力的主要原因，而此时已没有任何聚变反应能够阻止坍缩的发生，星体由此开始灾难性的坍缩，在极高的密度下各种基本粒子被充分挤压，使得所有质子和电子都合并成了中子，最终使得恒星内部的高密度气态铁球变成了中子星甚至黑洞。

这个事件会释放出惊人的能量，中子星形成后崩落的外壳物质反弹并形成向外传播的冲击波，可能会把恒星的外壳物质以巨大的速度抛向空间形成超新星爆发事件。这种由大质量恒星的铁心灾变引发的超新星事件是宇宙中最常见的中子星产生方式。

地球上的铁就是这样来的，包括我们血液中的铁元素。

听松

聚变的过程，是低原子量的元素聚合在一起，产生更高的原子量的元素。同时释放出能量。

在这个过程中，首先他们需要使用自身的一些能量，使得核子突破力的束缚。这个时候是要消耗能量的。

但核反应的后期部分，又会释放能量。

只有释放的能量大于消耗的能量，这个过程才能持续下去。否则根本无法突破势能壁垒。

这就给了聚变反应提了两个要求：

一、高温：突破势能壁垒；

二、反应要释放能量：这样反应才能持续。

恒星中的铁，符合第一个要求，高温；但不符合第二个要求——释放能量。

这是各个元素同位素的结合能。铁的结合能最高。

换句话说，不论是聚变还是裂变，到了铁就不能进一步产生能量了。而反应也就无法维持了。而看看最右边的U235, U238，他们的结合能就比较低，所以能裂变产生能量；左边的氢、氦，结合能也都很低，所以也能聚变产生能量。唯独铁，结合能最高，无法通过升高结合能的方法释放能量。

章彦博

题主和前面答主的一个认识细节不对呢。恒星核聚变不止进行到铁就停止了，而是到镍-62！科普界普遍引用的恒星核聚变到铁为止是一种误解。我们先来说说这个核合成终点的问题。

另外我假设题主可能是想知道恒星核聚变“为什么……到铁元素就停止……”，实际上超新星爆照末期的聚变可以一直持续到锕系的钍、铀和钚。

我们先来看看化学元素周期表

上图：镍的原子量是28，位于铁后面，中间还隔了一个钴（原子量为奇数的元素通常没有为偶数的稳定）。

（该查表的时候就要查查表）

镍-62才是终点！

镍-62是镍的同位素，具有28个质子和34个中子。它是镍的一种稳定的同位素，具有任何已知核素中核子平均最高的结合能，高达8.7945兆电子伏。人们常说Fe-56是“最稳定的原子核”，但仅仅因为Fe-56具有所有核素中每个核子最低质量（但不是核子平均结合能）。

但Fe-56平均每个核子的质量最低是因为Fe-56具有26/56 = 46.43％的质子，而62Ni仅具有28/62 = 45.16％的质子，而Fe-56中较多的且质量较轻的质子拉低了其核子平均质量。这就是为什么有相当多的科普文误以为铁-56是恒星核合成的终点。但实际上结合能最低的镍-62才是终点！

上图：核子结合能曲线，Ni-62才是最高的，接着是Fe-58，然后才是Fe-56。这三种元素被称为“铁组同位素”，是宇宙中结合最强的三种核子。

为什么恒星核聚变合成只进行到镍-62？

之所以恒星核聚变只能进行到镍-62，那是因为在镍-62和铁-56之前（我们通常会把两者并提，因为这两者之间的钴-56产物非常不稳定）的元素通过核合成形成时会释放出净能量，但越过了镍62之后的核合成虽然可以进行但实际上是吸收能量的，在恒星内部高温下，这些核素实际上无法真正稳定形成（从某种意义上受到热力学第二定律限制）。

镍同位素的高结合能通常使镍成为整个宇宙中许多核反应（包括中子俘获反应）的“最终产物”，这也解释了镍在宇宙中相对较高的丰度。虽然宇宙中大部分镍是通过超新星爆炸产生的镍-58（最常见的同位素）和镍-60（第二大），其他稳定同位素（镍-61，镍-62和镍-64）非常罕见。这表明大多数镍是在超新星核心蹋缩后立即从镍-56捕获中子的过程中产生的，逸出超新星爆炸的镍-56会迅速衰变为钴-56然后再衰变为稳定的铁-56。结合能排名第二和第三的是Fe-58和Fe-56，其每个核子的结合能分别为8.7922 MeV和8.7903 MeV。

上图：纯镍单体

被误解的“铁”

对铁-56更高核结合能的误解可能源于天体物理学。在恒星的核合成过程的光蜕变和α捕获之间的竞争导致产生的镍-56比镍-62更多，而镍-56则在后来恒星外壳喷射过程中衰变为铁-56。这就是为什么最后恒星当中的铁比镍多的原因了(都怪光蜕变)。

光蜕变（也称为光转换）是一种核过程，原子核吸收高能伽马射线进入激发态，并通过发射亚原子粒子而衰变。入射的伽马射线能够有效地将一个或多个中子、质子或α粒子从核中撞出。对于比铁重的原子核，光致蜕变是吸热的（吸收能量），少量会放热（能量释放）。光蜕变是超新星当中通过p-过程产生某些富质子重元素的原因。

上图：光蜕变原理示意图

镍-56是超新星生命结束时硅燃烧的天然终端产物，是以14次α捕获（4x14=56）并自碳开始构建更多重元素的阶梯聚合反应的产物。超新星燃烧中的α过程自此结束，后面再通过α捕获而产生的锌-60所需能量高得多，这形成了一种能量壁垒，防止了恒星核合成中α阶梯的延伸。而镍之后的重元素则都是在超新星爆炸后的最后一秒中形成的。

上图：11个α过程在恒星内次第展开，像是梯子一般。

未来这种误解会越来越深，因为最后的宇宙没有“镍”

然而，28个镍-62原子还可在恒星核合成之后的过程中聚合成31个铁-56原子，释放出0.011u的能量;因此，在假设通过Adler-Bell-Jackiw反常的质子衰变足够缓慢的前提下，没有质子衰变的宇宙，未来将会只有“铁星”而不会有“镍星”。

在天文学中，铁星是一种假想类型的致密星体，可能在极远的未来，发生在大约在10的1500次方年后的宇宙中。

量子隧穿导致的冷聚变会使普通物质中的轻核聚合成铁-56核。而重核则通过裂变和α粒子辐射使重核衰变成铁，最后恒星完全转化为一颗颗的冷球铁。(⊙o⊙)——但这只有在质子不衰变的前提下才有可能发生。

总结

所以，恒星核聚变，而不是所有的核聚变（超新星爆炸最后一秒的核聚变是特例）最高到镍才停止，但因为镍会因为光蜕变变成铁，所以最后就剩下了更多的铁，甚至最后宇宙就只有铁球（铁球宇宙？）。结合能在“铁组同位素”达到巅峰，这是造成恒信核聚变在此处结束的本质原因。

小宇堂

首先，很多人一提到核聚变，第一反应是它能释放出巨大的能量，但你有没有想过为什么会发生核聚变？ 原因就是必须要使用本身的能量，然后发生核聚变释放出更大的能量。

所以要想发生核聚变，必须有足够的很大的能量才可以达到！ 太阳为什么能持续不断地发生核聚变？就是因为太阳巨大的质量产生的万有引力让物质向内塌陷产生超高的温度和压力，继而引发了核聚变！

那么为什么恒星聚变到铁就停止了呢？ 因为铁比较特殊，铁是自然界最稳定的元素，核聚变到铁元素过程中吸收了大量能量，但不能释放出了能量了（因为铁最稳定），于是在聚变成铁的过程中能量几乎被消耗殆尽，没有足够的能量当然不会让核聚变继续下去！

而超新星爆发正是在聚变成铁元素后，能量几乎被消耗殆尽的时候发生的。我们都知道恒星之所以很稳定，就是因为核聚变产生的向外巨大推力与恒星质量向内的万有引力取得了平衡！

而如今聚变成铁元素的过程中消耗了巨大能量而没有释放能量，核聚变停止了就没有力量与万有引力抗衡，于是恒星几乎所有的物质在万有引力的作用下急剧向内坍缩！

向内坍缩的速度非常快，撞击铁质内核，因此产生巨大的能量，能量几乎全部施加到铁质内核上，铁元素有了足够的能量再次引发了聚变，聚变成更重的元素！

这个过程是非常短暂的，而恒星物质撞击铁核产生的巨大反作用力把铁核以外的物质抛向太空，这就是超新星爆发，非常壮观！

宇宙探索

大质量恒星的核心通过核聚变反应会逐渐合成越来越重的元素，这些元素会在中心逐渐富集。当铁元素被合成出来之后，它们也会集中到恒星的中心。然而，不像题主在问题描述中所设想的那样，铁周围的那些情核元素是无法再进行核聚变的，因为反应所需的温度和压力是不够的。而至于为什么当恒星合成出铁之后，核聚变反应将会宣告终止，这与恒星本身的动态平衡有关。

恒星需要源源不断的核聚变反应来向外辐射出巨大的压力，以此才能对抗自身的重力，这种流体静力学平衡贯穿恒星演化周期的大部分时间。之所以核聚变反应能够不断维持下去，是因为它们产生的能量要比吸收的能量更多，所以总得来说，恒星是在净输出能量，在铁之前的元素都符合这种过程。

然而，到了铁之后，其比结合能达到了极大值，这要大于比铁更轻和更重的元素。因此，铁的核聚变反应是在净吸收能量，因为该反应产生的能量少于吸收的能量。这样就会使恒星的重力占据主导作用，流体静力学平衡被打破，导致恒星内部受到强烈挤压而引发剧烈的超新星爆炸。

从这里可以看出，恒星的核聚变反应在产生铁元素之后并没有停止，而是铁还会进一步发生核聚变反应，结果会产生更重的元素，比如镍：

只是铁的核聚变反应会迅速消耗巨大的能量，这会导致恒星在短时间内失去平衡，最终发生超新星爆发。此后，铁会俘获中子继续合成其他重元素。

火星一号

恒星能够源源不断地放出热量是因为发生了自持式聚变反应，敲黑板，重点是自持式，这才是考点。

图释：上图为我国合肥等离子所的“人造太阳”超导托卡马克实验装置

在我国的超导托卡马克实验装置东方超环（EAST）实现持续放电101.2秒，这个已经是世界最长的记录了，此前的记录是60秒，就是因为反应不能自持下去，或者说外界输入的能量大于核聚变输出的能量，铁的聚变即是如此。

铁也可以发生聚变反应，当能量和压力满足聚变反应的条件，铁仍然可以发生聚变反应，只是因为铁的平均结合能是目前发现得元素当中最大的，维持铁核聚变反应消耗的能量要大于铁核聚变反应放出的能量，即铁不能发生自持式聚变反应。

图释：上图为元素的比结合能曲线，从图中可看出铁的比结合能是最大的，即将铁核分散成单个核子所需要的平能能量是最大的。

当铁核聚变将恒星储存的能量消耗殆尽之后，维持聚变的高温环境将不在，恒星便不能再继续发生聚变。

今天的科普就到这里了！更多科普欢迎关注本号！

核先生科普

题主这个问题问得有问题！只能说：人类目前推测认为太阳内部核聚变只能生成铁及其以下的元素，这是为什么？！地球上比铁重的元素多的是，这些元素是哪来的？

1、太阳如果真的只能合成铁及其以下的元素，则应该是因为其内部的压力和温度不足以全面比铁更重的元素；

2、太阳和地球等太阳系的天体中存在一定量的比铁重的元素，且这些元素的丰度在内行星中最高，外行星中则丰度很低。究其原因应该是因为行星是由太阳喷射物质太阳风形成的，通过分选作用，使重元素主要聚集在内行星区域，而外行星区域则重元素稀少。这也是行星成因的一个佐证吧；

3、那么太阳系比铁重的元素是哪来的呢？本人认为是银河系中心产生的，并通过喷射作用向两个对称的方向不停地喷射，部分物质到达了太阳系并被太阳和其他天体捕获而来。

关于以上推理的具体分析请参见本人的相关文章：

彭晓韬

随着相对论的提出，人们发现无论是重核的裂变还是轻核的聚变，都伴随着大量的能量放出！所谓重核和轻核的分界线就是铁元素，也就是说在元素周期表中，铁之前的元素理论上都可以发生聚变，之后的元素只能发生裂变了！这又是为何呢？
这还得从
比结合能说起，原子核内的核子之间是靠核力结合在一起的，要把它们分开，就得给原子核一定的能量，这个能量被称为该原子的结合能。但是，由于不同元素原子的核子数量不同，比较它们的结合能意义不大，于是人们又定义原子的结合能和它的核子数的比，为比结合能！下图就是不同元素的比结合能曲线

体坛大蜀暑

这只是基于地球引力环境得出的结论。在大引力场中，铁仍然会聚变。按上述理论铁应该是宇宙中最多的物质，而事实并不如此。我们可以这样认为，在恒星内部存在较大原子量（甚至超过几万，而不只是U235之类）的元素物质，而中子星甚至可能是无穷大的原子堆积。

之所以可控核聚变到今天仍然没有取得突破进展。其根本原因是人类无法制造一个较大的稳定引力场（超过聚变所需的临界值，非温度，温度只是表象）。元素间聚变的首要条件是环境引力场一定要达到临界值，然后是是物质密度。我认为恒星的聚变反应事实上是发生在表面，当宇宙空间中的氢氦及他们的同位素受到引力作用，聚集到恒星的表面，此时引力场超过了它的临界值，物质的聚集密度达到一定值，就产生了聚变反应，同时恒星内部也在发生不同类别的聚变反应，也就是更大元素的合成，因而我们所观测到的恒星光谱主要是氢氦等轻元素的聚变反应。当物质聚集必须要达到更深的深度，才能够产生足够的聚集密度，而此时引力场已经非常大（远远超过了它的聚变临界值），以至于聚变反应所产生的可见光线受强引力作用不能向外部放射，我们就看到了白矮星褐矮星和红巨星，是因为可见光谱根据红黄蓝紫的能量顺序，越来越难以逃离。在更深更大的引力场环境中，才能达到临界聚变密度时，所有可见光都不能逃逸，这种天体我们称之为黑洞，然而我们却能够观察到无线电波。事实上矮星、中子星等大的天体或者是黑洞的周边，由于极大的引力作用，其空间早就被他们清空了，缺少聚变反应的物质，因而我们通常是觉得他们已经燃烧完了。当矮星，中子星，黑洞等天体短时间内吞食大量物质时（捕获其他星体），在其外部空间（可以满足轻物质聚变的引力场条件）聚变物质密度，迅速达到临界值，因而其聚变反应所释放的光热等能够穿到外部空间放到宇宙中，这样我们就看见了超新星爆发或者黑洞的发光现象。

handben

说到核反应可以分为两大类: 一类是较轻的原子核聚合成较重的原子核并释放能量，另一类则是由较重的原子核分裂成较轻的原子核并释放能量。

如果你有一定的逻辑思维能力，你可能会给自己提个问题: 既然轻原子可以合成重原子并释放能量，而重原子又能分裂成轻原子并释放能量，那岂不是可以循环释放能量，变成永动机机了？非也! 这里的轻原子与重原子是以元素周期表为范围，分布在元素周期表的两侧，它们并不重叠的。

如果你有一定的逻辑思维能力，就会隐隐约约的感觉到: 既然轻原子核蕴含着较高的内能，以致于融合成较重原子还可以释放能量，而较重的原子核也具有较高的内能，以致于分裂成较轻原子也释放能量，也就是说分布在元素周期表的两侧的原子核内能都比较大，中间的原子核内能较小，原子核的内能就像一个U性曲线，那么就必定存在着一个最低点，在这个点上该原子核的内能最低，以致于该原子无论是聚合反应还是裂变反应，都是要消耗能量的，因此所有的核反应抵达这个原子时就无法继续进行下去了，还真有这样一个原子，那就是铁原子。

当恒星中的核聚变或者核裂变的最终产物是铁原子时，核反应就无法再持续下去，因为任何以铁原子为材料的核反应都是耗能型的，而不是放能型的，所以恒星发展到铁原子阶段，核反应就停止了，核能量停止释放。

但对于恒星来说，这可就是灾难性的时刻，因为恒星除了原子能以外，还有一个巨大能量等待释放，那就是引力势能，因为恒星体积巨大，质量巨大，而使得恒星上的物质相互吸引而产生极其巨大的引力势能，当恒星还处于正常核反应阶段，它依靠核反应释放的巨大光能在恒星内部产生极大的辐射压力，来对抗巨大的引力压力，导致暂时的压力平衡，恒星得以保持体积上的稳定，但核反应一旦停止，内部光压消失，则引力最终取得这场持续了数十亿年的压力对抗的胜利，恒星在巨大的引力作用下，开始内爆，也就恒星外壳物质在引力作用下向内心坍塌，这个坍塌的速度极快，据计算可达每秒4万公里，随着坍塌的持续，恒星中心物质密度越来越高，硬度也越来越大，当外层物质高速冲撞核心物质时，会发生巨大反弹，并产生猛烈的外爆，这就是超新星大爆炸。

宇宙就是这么的有趣，地球上的所有生命都得感谢恒星的死亡大爆炸，正是由于超新星爆炸的极端物理条件，在这爆炸的一瞬间会制造极其巨量的重元素，也就是构成我们生命的那些元素，而且同时又被抛撒到茫茫太空中，这样才可能供第二代、第三代恒星重新聚集，才有机会构成地球，一切生命故事才得以展开。

所以，不要害怕地狱，组成你我身体的元素，都曾经历比地狱严酷万倍的条件。

至于恒星爆炸后剩余的中心物质的形态，就需要根据恒星的初始质量来确定，若初始质量<3倍太阳质量时，则是中子星，否则就是黑洞。

關鍵字: 铁核 核聚变 科学