無盡的死亡在等待

恆星的內核聚變並非到鐵為止

滬生泉

答：宇宙中高於鐵的元素，可以是大質量恆星在演化末期，通過中子俘獲過程形成；或者在雙中子星合併事件中，也能大量形成。

我們地球上的元素非常豐富，從1號氫元素到92號鈾元素都有，鈾是自然界中大量存在的最重元素；大於92號的叫做超鈾元素，只有幾種在自然界中微量存在，其餘都是人工合成的，超鈾元素的半衰期一般都很短。

如果瞭解一點天文學知識，就會知道恆星是一個元素加工廠，可以把宇宙中的氫元素進行核聚變，然後生成各種各樣的元素。

比如在恆星內部，氫元素聚變生成氦元素，並釋放大量能量；然後氦元素又聚變，生成碳元素和氧元素；碳元素的聚變，又可以生成氖、鈉、鎂、鋁元素。

但是這樣的聚變，在恆星內部到鐵元素就終止了，比如硅元素聚變生成鐵-56，然後鐵-56無法繼續進行聚變；那麼高於鐵的其他元素，又是如何來的呢？

我們知道，氫彈是氫的同位素聚變，原子彈是鈾或者鈈裂變，兩個核反應都是釋放能量，這與原子核的“比結合能”有關。

結合能表示把原子核中的核子（質子和中子）完全分開，所需要提供的能量；但是我們不關心結合能，而是關心結合能與核子數量的比值，叫做比結合能。

比結合能越大，表示原子核越穩定，鐵-56的比結合能是所有原子中最大的，所以鐵-56是最穩定的原子，比鐵更高的元素叫做超重元素，看來大家說“老鐵”是有原因的（暗笑）！

對以上原理有了一些瞭解後，我們再來看宇宙中元素的形成原理；所有恆星在剛形成時，都會進行氫元素的聚變反應，氕核先聚變為氘核，再經過多步聚變後，產物主要是氦-4：

（1）對於小質量恆星，比如小於0.8個太陽質量的紅矮星，就只能聚變到氦了，因為這種恆星的質量太小，內部溫度不夠高，氦元素的聚變反應無法點燃。

（2）像太陽這樣的恆星，在氫元素燃燒完後，引力作用會臨時壓過核聚變釋放的能量，然後恆星外層發生收縮，使得內核溫度急劇升高，就會點燃氦元素；氦的聚變非常快，並釋放大量能量把恆星外層大氣吹走，也就是氦閃，在《流浪地球》中就是假設太陽即將發生這種情況。

（3）太陽在演化末期只能聚變到碳、氧元素，比太陽質量更大的恆星，聚變反應可以到硅元素。

（4）對於大質量恆星（約10倍太陽質量），一直可以聚變到鐵元素，然後聚變反應就終止了，因為鐵的結合能是最高的。

鐵-56原子有26個質子和30箇中子，要使鐵變為更重的元素，就需要繼續往鐵原子中塞入質子，原子核由強力把質子和中子綁在一起，但是強力是短程力，只在10^-15米尺度生效。

雖然強力是庫侖力的100倍，但是庫侖力是長程力，原子核帶正電荷，這時候要把質子塞進鐵原子核是非常困難的，因為質子和鐵原子核會相互排斥。

由於庫倫勢壘太高，超重元素無法在恆星內部通過質子俘獲、或者α粒子俘獲的方式形成；而且鐵-56進行質子俘獲的平均時間，已經遠遠高於了恆星的壽命，於是在恆星內部，只能通過中子俘獲的方式獲得超重元素。

由於中子不帶電，所以中子比質子更容易接近原子核，中子被原子核中強力抓住的過程，叫做中子俘獲，中子俘獲又分為慢中子俘獲過程（s過程）和快中子俘獲過程（r過程）

大質量恆星在演化末期（紅超巨星），恆星內部聚集了許多鐵元素，也存在密度很高的中子流（可達每立方厘米10^8個）；於是鐵-56俘獲一箇中子變為鐵-57，然後鐵-57的原子核發生β衰變（釋放一個高能電子），生成比鐵高一號的27號元素鈷 ，也就是Co-57，然後Co-57繼續通過中子俘獲過程，生成更重的元素。

慢中子所處溫度低，中子俘獲過程時間長，如果生成物的半衰期太短，生成物就會在下一次還沒俘獲中子前發生衰變，所以慢中子俘獲過程只能生成一小部分超重元素；而快中子的俘獲過程時間短，可以生成大量的超重元素。

大質量恆星在超新星爆發時，能達到100億度以上的溫度，此時快中子密度極高（可達每立方厘米10^23個），於是鐵元素在超新星爆發中進行快中子俘獲過程，可以生成大量的超重元素；或者在雙中子星合併事件中，中子潰散後不久會衰變為質子，也能形成大量的超重元素。

所以，形成比鐵更重的元素，就至少有三種方式：

（1）大質量恆星演化為紅超巨星時，鐵-56通過慢中子俘獲過程，產生少量超重元素；

（2）雙中子星合併事件中大量產生；

（3）超新星爆發時，通過快中子俘獲過程大量產生。

我們地球上有著各種各樣的元素，一些超重元素還是人體不可缺少的微量元素，比如29號銅元素，存在於肌肉和骨骼當中；33號砷元素，存在於頭髮和皮膚中；34號硒元素，存在於心肌和骨骼肌中。

然而這些元素，歸根到底來自於至少45億（太陽系年齡）年前，某次超新星爆發或者雙中子星合併事件；我們身體中的元素，就是超級爆炸中落入太陽系的餘燼塵埃。

然而這樣的事件，每天都發生在宇宙當中，在我們銀河系內平均每個世紀裡，會有1~2次超新星爆發事件。我們夜晚看到那條明暗相間的銀河，其實就是無數次超新星爆發後，殘留下來的物質擋住了銀河系中心的光線。

在紅外線望遠鏡下，這些殘骸顯現出明顯的放射狀，或許在某處就有另外一個文明，在觀察我們的太陽系。

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艾伯史密斯

核聚變本身並不會到鐵就停止，超過鐵的元素也是核聚變生成的。

所謂核聚變到鐵元素為止，說的是在一般恆星內發生的核聚變到鐵為止。因為恆星一般都遵循如下核聚變順序：氫核聚變-->變成氦核，氦核聚變為碳元素和氧元素，碳元素再聚變為原子序數更大的元素，之後這些元素再次聚變，知道聚變為鐵元素為止。之所以到鐵元素停止，是因為鐵元素想要聚變，需要的溫度和壓力都是超高的，恆星沒有發生超新星爆炸之前是無法提供的。所以，恆星中元素聚變也就到鐵為止了。

上圖是一張恆星內元素聚變的順序和需要的溫度，可見到鐵元素時溫度就需要30億度了。可能大家對於30億度沒有概念，這個溫度是宇宙大爆炸之後10秒時的溫度!所以說，恆星無法滿足這個溫度，鐵元素就失去了再次聚變的資格。

但是，超新星爆炸是個例外，超新星爆炸可以瞬間提供足夠的溫度和壓力，直接把鐵元素的電子剝離，掃清鐵核聚變的障礙，快速促進鐵核融合聚變，進而生成大量的重元素。我們地球上的各種金屬，比如銅、金、銀都是某次超新星爆炸時生成的，然後被拋射到太陽系內。可能也正是這次超新星爆炸，才促進了太陽系原始星雲的聚集，最終演變成為了太陽系，誕生了我們地球生命。

科學探秘頻道

明確回答：核聚變並沒有到鐵就停止了，宇宙中比鐵重的元素都是通過核聚變得到的，包括人造元素。

認為核聚變到鐵就停止了的認識是隻侷限於恆星主序星過程的核聚變，而沒有認識到超新星大爆炸和大質量天體碰撞過程是一種更高級別的核聚變。

一般來說，像太陽這種中小質量的恆星，核聚變到了碳元素就停止了，沒有足夠的引力激發更重元素的核聚變。大於太陽質量8倍以上的恆星，中心核聚變會一直進行到鐵元素為止。核聚變停止後，中心沒有了抵抗引力壓力的能量，恆星巨大質量導致的引力坍縮以亞光速衝撞鐵核，反彈的速度和能量導致超新星大爆炸。

超新星大爆炸的能量是巨大的，在一瞬間釋放出太陽100億年總釋放能量的若干倍。2016年1月觀測到的一顆超新星爆發，其瞬間亮度達到太陽的5700億倍，比銀河系所有恆星亮度加起來還要亮20倍。

除此以外，還有大質量天體的碰撞，如中子星、黑洞，甚至白矮星，它們同類碰撞或者相互碰撞都會導致和超新星一樣甚至更劇烈的爆發。

不管是超新星爆發還是大質量天體相撞爆發，有時還會形成宇宙最厲害的能量暴~伽馬射線暴，這種射線暴會氣化掉附近上百光年的星體，破壞力可以達到上萬光年，是宇宙第一殺手。據分析，宇宙絕大多數文明都無法發展到高級狀態，就是因為伽馬射線暴不定期清理的結果。

這種大爆發會在周邊一個巨大空間重現宇宙大爆炸初期的億億度高溫和巨高壓狀態，所以在這樣極端的溫度和壓力下，什麼樣的重元素不會生成呢？

現在宇宙中已經發現的118種元素，其中鐵以上元素都是在這種情況下生成的，生成的方式同樣是核聚變，在極高的溫度和壓力下，核融合就成了輕而易舉的事情了。

2017年，轟動整個世界天文學界的一次大事件，就是觀測到了距離我們1.3億光年的兩顆中子星相撞的引力波，據科學家估計，這次相撞生成的黃金碎片散播在太空中，達到300個地球質量。

中子星相撞這種極高壓力和溫度，開始生成的元素應該是超重元素，隨後會不斷裂變，直到形成92號鈾元素才會穩定下來。這其中也會生成47號元素銀、79號元素金、82號元素鉛等。

在元素週期表中118種元素中，有92種是自然界發現的，有26種是人造元素。這是因為有些元素的半衰期太短，自然界丰度就非常小，因此很難得到，就只有通過人工製造來補缺。

這些人造元素一般都是用加速器或核反應堆通過核聚變生成，是在已有元素基礎上，用某種元素的原子核作為“炮彈”來轟擊另一種元素，擊穿原子核外殼擊中原子核，使兩種元素的核融合成一個新核，這樣新元素就產生了。

一般人工製造的新元素都是某元素的同位素，而且只能遵從“加法”，也就是相對較輕元素變為較重元素，比如用硼（原子序數5）轟擊鐦（原子序數98），得到103號元素鐒。

所以不管天然元素還是人造元素，都是採用核融合（核聚變）的方式得到的。

大質量天體發生超新星大爆炸或者相互碰撞得到的重元素，其中雖然有裂變的過程，但最開始形成的超重元素只有核聚變才能得到，有了超重元素，才可以裂變出各種較輕的元素。

我們地球上含有宇宙中存在的所有元素，這說明我們太陽系並不是宇宙原始星雲形成的，而是超新星大爆炸後的再生星雲形成的。

宇宙年齡已經有138億歲。大質量恆星的壽命普遍很短，一般在幾千萬年到幾億年，有的甚至只有幾百萬年，比如R136a1質量相當太陽的265倍，壽命就只有300萬年。因此宇宙初始的大質量恆星早就生生死死很多代了，這樣宇宙中最原始的星雲就應該早就沒有了或者極少了。

宇宙剛誕生時，只有氫和氦和少量的鋰等輕元素，第一代恆星就是以這些元素形成的。

幾億年後，大質量恆星就有很多超新星大爆發消亡了，既然鐵以上重元素都是大質量天體爆炸產生的，因此，在宇宙誕生不久，這些重元素就應該都有了。

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“核聚變到鐵元素就停止了"這句話不能從字面上這麼理解。不能理解成大質量恆星一旦產生鐵元素就不再核聚變了。而是必須這麼理解，鐵元素的產生是開啟核聚變停止運行的按鈕。

那麼估計有大量的大仙大神們會問了:鐵元素的產生如何讓核聚變停止呢?

其實答案很簡單的。就是以更劇烈的核聚變來停止的(與止戈為武是一個道理)。具體過程如下:

首先理解一下恆星的正常核聚變。恆星的正常核聚變就像足洋蔥似的一圈一圈的，首先被點燃了的是氫聚變，接著的是氦聚變，再下去的就複雜多了，原子核聚變是兩兩而聚變的居多，可以氫氦產生鋰，可以氦氦產生氧，可以氫氧，可以氦氧產生鈣…………(如此等等，五花八門，好不熱鬧啊)不過，這些反應不論如何進行，其根本原因都是為了反重力(即在萬有引力作用下產生的重力，重力的作用下為了不致於無窮無盡的坍塌下去必須有反重力作用，而熱能即是有效的阻止重力坍塌的有效手段，)，因此無論如何五花八門，只要是反應能產生熱的，即可以抵抗重力作用。這個是恆星正常的熱核反應過程。在這個過程中，產生元素質量越大正常地溫度越高，同時由於元素質量大也會自然地向中心地帶下沉而產生自然分層，雖說不是百分百地分得清清楚楚，卻也是大致如此的。

那第二，瞭解一下不正常的核聚變反應吧。鐵元素的產生是個奇葩式的反應，因為此反應不但不是放熱反應而且還是個吸熱反應。這個就不正常了，就打亂了恆星先前的重力與熱的力學平衡。

由於在恆星的中心位置上產生了鐵元素，如果僅僅只是產生一點點自然是什麼鳥事情都沒有。只不過既然可以產生鐵元素就說明恆星的中心溫度已經足以產生鐵這一元素的條件，自然會是源源不斷地產生的。然而產生的越多，熱能損失得越大，恆星的中心位置上由於大量鐵元素的產生而迅速降溫，降溫至不再產生鐵元素的低溫時止。這一行為立在恆星中心位置上熱力迅速減弱而打破重力熱力平衡。

為了彌補這個不平衡，恆星整體在重力作用下再度向中心位置坍塌。在坍塌擠壓下恆星中心熱能又迅速升高(擠壓生熱)甚至超過先前溫度。從而又恢復了產生鐵的熱核反應。而這又產生了更多的鐵元素來降溫。從而又再度打破重力熱力平衡。

第三，也是結論，停止熱核反應的過程。

因此，我們在觀察恆星的演化時，就看到了大質量恆星在演化後期有多次的像心臟跳動一樣的收縮膨脹，再收縮再膨脹……的過程。而在這一過程中，規模一次勝過一次。因而恆星中心最高溫度一次高過一次，壓力也一次大過一次。

一直到恆星中心溫度高達可以大量產生劇烈的核聚變反應而且還是可以點燃鐵元素之後的好多核聚變反應的。因為大規模的收縮在恆星中心位置上迅速升高的溫度可以比原先的高出好多好多的。而更多得多核聚變與更猛烈的核聚變不但產生鐵元素，更產生了鐵元素之後的元素(又是放熱的)。而如此大規模的核聚變產生的超多的熱能，再借由先前收縮產生的勢能的反彈作用，讓恆星受不了，因此產生的了最後的大爆炸，直接將恆星表層炸飛了。同時由於借用這一動力也將恆星內部擠壓再度坍塌成中子星甚至是黑洞。從而從根本上停止了恆星的熱核反應。

清風57166

只需要記住一點就行了，恆星是宇宙中的“重元素加工廠”，鐵元素以上的元素都是恆星中誕生 的，而比鐵還重的元素，直到94號元素鈈之前的元素，大概在元素週期表中26-94以內的大部分元素都是在暴烈的天文事件中誕生的。

什麼才是暴烈的天文事件呢？

比如中子星合併、碰撞、超新星爆發等具有極高能量的天文事件中，比鐵重的元素才得以聚合出來，但通常情況下，比鐵重的元素或多或少都有放射性，並且原子序數越靠後，其放射性越強、半衰期也會變短（個別的現象除外）。

元素週期表中95號元素之後的那些元素，都是人工合成的元素，在自然界中幾乎不存在，因為它們的半衰期太短了，幾乎可能只有十幾秒鐘，幾秒鐘的半衰期。能在自然界中存在的元素，都是那些相對來說比較穩定的原子。

個人的淺見，你們有什麼要補充說明的嘛？

科幻船塢

理論上來講只要條件足夠鐵也是可以繼續核聚變生成更重元素的，而所說的核聚變到鐵為止指的是一般恆星在主序階段能達到的最終結果。

按照現在的主流觀點認為宇宙大爆炸起始於138.2億年前的奇點大爆炸，在大爆炸後的一分鐘之內核反應就產生了氫、氦還有部分鋰，從元素週期表可以看出來這幾種元素是排在前邊的。而後續更重的元素只能是通過氫原子去聚變形成。

恆星質量越大自身的引力塌縮產生的壓力越大、溫度越高，這樣核聚變就能產生個更重的元素。一般大質量恆星末期的時候內部是分層結構的，內核處是鐵核，外層是硫、磷、鈣等等，在外層就是氧、氦、氫等。一般只能核聚變到鐵為止。

為什麼鐵這麼特殊？

因為鐵56是最穩定的元素，比結合能是最大的，比鐵56重的元素有向鐵56裂變的趨勢，而比鐵56輕的元素有向鐵56聚變的趨勢。所以有一種觀點認為宇宙演化的生命末期，只會含有鐵56，因為這是最穩定的。

圖：鐵的結合能是在曲線頂峰

那麼鐵如何會聚變？

恆星的正常演化過程很難會使鐵發生核聚變到更高元素，只有在大質量恆星經過超新星爆炸條件才可能滿足。這是宇宙大事件，超新星爆炸不僅僅是一顆恆星的滅亡也預示著新生。超新星爆炸會瞬間達到幾十億的高溫，足以讓鐵核發生核聚變到更重元素。

科學黑洞

核聚變到鐵就停止了只說對了一般，應該是恆星核聚變到鐵就停止了。一般認為恆星核聚變到鐵就意味著恆星生命的結束，因為鐵元素比較特殊，要想讓鐵繼續聚變需要更加極端的物理環境，因為鐵聚變是吸收的能量比釋放的能量更多！

不過恆星生命結束並不一定意味著核聚變的結束，質量較小的恆星（比如我們的太陽）生命結束後就很難再進行核聚變了，但大質量恆星，比如8倍太陽質量以上的恆星在燃料耗盡後，萬有引力開始佔據絕對上風，於是恆星物質開始急劇向內坍縮，速度接近光速！

如此高的速度撞擊恆星內核，也就是鐵核，產生的恐怖的能量，這種能量足以讓鐵核繼續聚變成更重的元素，比如今天我們用到的金銀等！

同時，猛烈撞擊產生的反作用力讓恆星外圍物質猛烈噴發到星際空間，這就是超新星爆發。爆發之後留下的內核就是中子星甚至黑洞！

所以，大部分的重元素都是通過超新星爆發產生的，同時中子星碰撞同樣能產生重元素，因為中子星碰撞產生的能量同樣足夠大，甚至不亞於超新星爆發！

宇宙探索

核聚變到鐵就停止了，那麼宇宙裡比鐵要重的元素都是怎麼堆出來的？

無論各位信還是不信，宇宙的元素除了氫元素、氦元素以及鋰元素之外，其他都是恆星在演變的各個階段中形成的，所以在小學的課外讀物中您也會看到“恆星大工廠”這個說法，而事實上一點都沒有錯，幾乎所有的元素，都是由恆星製造出來的！

宇宙誕生時形成的幾種元素，氘元素即氫的同位素，它屬於氫元素！不同質量的恆星能形成的重元素階段是不一樣的，因為核聚變時，氫元素以後的元素，結合時要求的溫度也越高，低質量的恆星無法達到如此高溫，那麼只能由能超新星爆發的大質量恆星形成！

但無論多大質量的恆星，其內核有多高的溫度，但在恆星階段到鐵-56就停止了，因為鐵-56是最穩定的元素，而此時的恆星結構非常奇特，有內而外形成了洋蔥結構的多層元素結構！但此時的恆星結構是非常不穩定的，自由中子也會在其他元素捕獲而形成更重的元素，但所佔比例並不高！

鐵-56之前的元素在核聚變時都能釋放能量，而鐵-56之後的元素，如果要讓其聚變成更重的元素時需要吸收大量能量才能形成！

上圖是元素的比結合能曲線圖，可以看到鐵-56在峰值處，結合能是將原子核中的質子與中子分開的能量，比結合能是結合能與核子數的比值，越高表示這種元素越穩定！

但此時恆星的內核已經無法再聚變，早期膨脹出去的外殼在失去輻射壓支撐後，將在巨大的壓力下快速向內核坍縮，其巨大的撞擊能量將直接導致恆星超新星爆發，而這些巨大的能量將給予了重元素形成足夠的條件！但超新星爆發並不是重元素的最主要來源，而在中子星合併才是重元素甚至超重元素的最主要來源！

前面我們說到了在恆星演化末期，極不穩定的恆星內核中，鐵-56捕獲中子形成更重的元素以及超新星爆發形成重元素，那麼我們再來簡單說一下這個形成過程，這個分為兩種情況，第一是恆星演化末期的慢中子捕獲生成重元素，另一種是超新星爆發時形成重元素。

一、慢中子捕獲形成重元素；

慢中子俘獲過程也稱為S-過程，發生在恆星演化末期超高溫內核中，此時中子會被鐵-56俘獲形成鐵-57，之後鐵-57釋放一個高能電子形成鈷-57，而鈷則繼續通過慢中子俘獲過程形成更重的元素！

S-過程在Ag到Sb的範圍內的流程。

二、快中子捕獲形成重元素；

快中子俘獲過程發生恆星的超新星爆發階段，被稱為R-過程，鐵-56元素進行連續的快中子捕獲生成重元素，快中子捕獲形成的重元素佔恆星形成的重元素一半以上！

無論是哪種過程，鐵-56都是最原始的種元素，重元素都是以鐵為種元素的中子捕獲過程中生成！

R-過程

而另一個重元素形成的過程中子星合併則是中子星結構崩潰後中子衰變成質子、電子、反中微子和光子，在中子星合併的強大能量中質子與中子生成大量重元素！另中子星外圍也存在大量的鐵元素（因為並不是整顆中子星都是中子星物質），這個過程與S-過程和R-過程一致！

元素的形成，只要條件合適瞬間即可完成！但關鍵就是這個條件，即使是創造最為容易的元素氦，人類為實現這個條件已經花費了數百億美元，但到現在為止還不能穩定的生產氦元素，當然這是廢話，因為我們要的並不是氦，而是在這個過程中釋放的巨大能量！現在能夠做到並大量應用的僅僅只有裂變，這種捕獲一個自由中子後的原子核分裂行為也會產生大量的能量，缺點是質量虧損低（約0.093%左右，聚變為0.7%左右），還有巨大的放射性汙染，還會產生核廢料！

革命尚未成功，通知仍需努力，繼續奮鬥吧騷年！

星辰大海路上的種花家

其實，用通俗的話來解釋比較好理解一點。

首先來看幾個問題：

1、為什麼恆星的質量這麼大，其重力不會將自己擠壓坍塌？

2、為什麼恆星內部發生核聚變，其擴張力不會使自己炸裂？

3、為什麼恆星質量越大，壽命越短？

其實，這都是因為“平衡”。即重力向內壓縮的力和核聚變向外擴張的力相互抗爭抵消，使恆星維持在穩態。

當恆星質量變大時，重力向內坍塌的力越大，導致內部壓力和溫度升高。壓力和溫度的提升卻又會令其內部核聚變愈加劇烈，產生的擴張力增強。兩者“軍備競賽”卻始終勢均力敵，恆星處於穩態，不至於坍塌或炸裂。

同時可見，恆星質量越大，重力越大，促使核聚變越劇烈，質量消耗越快，自身壽命越短。太陽的壽命約一百多億年，而一顆十倍太陽質量的恆星，壽命不過幾百萬年而已。

鐵以下的元素進行核聚變時，釋放出大量能量，這時擴張力可與壓縮力相平衡。而當核聚變到鐵元素時，會吸收能量，擴張力將無法再與壓縮力抗衡。

當平衡被破壞，恆星將向內坍塌爆炸形成超新星。超新星爆發產生極高的溫度為其他重元素繼續核聚變提供了條件，於是，“金”等元素誕生。

*只是普通探討，屬於業餘愛好者，數據就不羅列了。

關鍵字: 恆星 核聚變 科學