恆星核聚變到鐵就停止了,那比鐵要重的元素都是怎麼來的?

鐵元素是一個里程碑,但不是終點

很多人說“核聚變產生到鐵元素就停止了?”,這個說法是有問題的。那我們先來說說這個說法的由來。實際上,這是指恆星內核的核聚變反應,恆星由於自身的質量十分巨大,在引力的作用下,內核的溫度就會非常高,就拿太陽來說,太陽的內核溫度達到了1500萬度,壓強達到了200多萬個大氣壓。

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這個時候,太陽的狀態就不是我們常見的三態了。事實上,這個時候的太陽處於等離子態。這個該如何理解呢?

我們都知道物質是由原子構成的,而原子內還有原子核和電子。

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太陽內核的狀態其實就是電子獲得了足夠多的能量,於是脫離了原子核的束縛,開始自由的在太陽內部運動。因此,太陽的內核更像是粒子粥一樣,各種粒子擠在一起。

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緊接著,原子核就在這個樣的狀態下相互聚合,發生核聚變反應。質量越大的恆星,內核溫度就越大,核聚變反應就越是劇烈。首先,恆星開始燒的其實是氫原子核,四個氫原子核會聚合成一個氦原子核。

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當內核的氫原子核燒的差不多時,只要恆星質量足夠大,就可以換擋,開始燒氦原子核,生成碳原子核或者氧原子核。

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同樣的,當氦原子核燒的差不多時,如果恆星的質量還足夠大,原子序數更高的元素原子核就會被點燃,就這樣可以一路到達鐵元素的原子核。絕大多數的恆星都會停在鐵元素之前某個位置。

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我們的太陽燒完氦原子核後,質量就不足以點著碳原子核的核聚變了,之後會變成一顆白矮星,然後慢慢涼透。

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所以,“核聚變到鐵元素停止”其實指的就恆星的內核的核聚變反應。

但實際上,說這話的人還忽略後面可能會發生的事情。我們可以先把鏡頭切到宇宙大爆炸的早期,當時隨著溫度的降低,宇宙中形成氫原子和氦原子,它們佔到了99%以上。之所以是這兩個元素,也是因為它們的核子數足夠少,並且足夠穩定。

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後來,我們也知道宇宙中出現很多其他順位的元素,那這些元素是咋來的呢?

其實就是我們上文說的恆星的核聚變反應產生的,如果到了鐵就停了,那元素週期表應該到鐵元素就沒了。但事實上,後面還是有大量的元素。而這些元素想要合成勢必要通過核聚變反應。因此,鐵並不是終點。那後續到底發生了什麼呢?

超新星爆炸、中子星合併

說後續發生什麼之前,我們可以先來說一下,為什麼大部分的恆星都會停在鐵元素。其實原因很簡單,鐵原子核是最穩定的原子核,我們也管這個叫做比結合能最高的原子核。

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原子序數在鐵元素之前的元素原子核都有聚合的趨勢,而原子序數在鐵元素之後的元素都有裂變的趨勢。說白了,就是鐵元素兩邊的元素原子核都有向鐵元素方向靠攏的趨勢,而根本原因就是鐵原子核足夠穩定。

所以,要產生比鐵元素順位更高的元素原子核,實際上就需要大量的能量,而反應釋放的能量很低,說白了,就是整個過程是一個需要吸收大量能量的過程,也就是個虧本的買賣。就拿要促發鐵原子核的核聚變反應的條件來說,大概需要幾十億度的溫度。這隻有在特大質量恆星才可以做到,整個過程會促發超新星爆炸,亮度堪比星系。

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超新星爆炸的過程就會產生大量的高順位的元素。除此之外,在這個過程中會形成中子星或者黑洞。而中子星是極其緻密的天體,當兩個中子星相遇時,就有可能會發生中子星合併。而中子星合併實際上就可以合成很多比元素順位更高的元素,比如:金和銀。

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因此,核聚變並不是在鐵元素就停止了,只是讓鐵原子核核聚變反應很難而已。


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