用戶273943791

核聚變

首先，我們要搞清楚什麼是核聚變反應？

實際上，核聚變反應就是指原子核相互結合的一種反應，兩個比較小的核結合成一個更大的核，因此也被稱為核融合。宇宙誕生之初，主要的元素就是氫和氦，這兩個元素是元素週期表最靠前的兩個元素。

並不是說，在那個時候沒有形成原子序數更高的元素，只是因為那些元素還不夠穩定，因此，又裂變為氦原子核了。我們從元素週期表中也能看出，原子核比氫原子核和氦原子核大的元素原子核多了去了，現在的元素週期表都已經可以排到110多位，而且還沒有達到盡頭。也就是說，宇宙誕生之後，在宇宙中形成了許多大的原子核，鐵元素原子核算是其中的一員，但並不是最大的原子核。因此，核聚變到產生鐵元素就停止是不合理的。如果是這樣，那元素週期表到達鐵元素就應該停下來。那核聚變到底是到哪會停下來呢？

實際上，至今我們也不清楚，關於元素週期表的盡頭到底在哪，至今也沒有一個靠譜的理論可以給出答案。但就目前來看，想要合成比鐵更重的元素，只要能量給到足夠高就可以做到。不僅我們人類可以做到（但做不到大批量的），如今我們已經能合成到118號元素了。

在宇宙中的一些極端條件下也能做到。人類的方法其實就是通過實驗來合成。那宇宙中是如何合成比鐵元素原子序數更大的元素的呢?還有為什麼鐵元素是一個經常被人提及的元素呢？

今天，我們就來詳細說說這兩個問題。

恆星核聚變

在宇宙中，合成比氦元素更大號的元素主要依靠的就是恆星。恆星的內核可以發生核聚變反應。一般來說，由於氫原子核的核聚變反應所需要的門檻是最低的，而且構成恆星的主要元素也是氫元素，因此，恆星的氫原子的核聚變反應會先被點著，4個氫原子核通過核聚變產生氦原子核。

為何鐵元素是一個節點？

當氫原子核被消耗得差不多時，只要恆星的質量足夠大，就可以繼續點燃氦原子核的核聚變反應，生成碳原子核和氧原子核。同樣的，只要質量足夠大，就還可以繼續引發碳原子核，氧原子核的核聚變反應。於是，你很容易發現，這個過程其實就是沿著元素週期表從小到大的方向演化，最後一直到鐵元素。

之所以鐵元素是一個節點，是因為鐵是已知的所有元素中最穩定的元素（從原子核的層面來看）。我們也把鐵元素稱為是比結合能最高的元素。這就意味著，要讓鐵原子核發生核聚變反應是非常困難的。原子序數小於鐵元素的原子核都可以通過核聚變反應釋放能量，同樣的，原子序數大於鐵元素的原子核都可以通過核裂變反應釋放能量。它們都有向鐵方向靠的趨勢，這是因為，在宇宙中，萬物都有一個趨勢，那就是趨向於穩定。

如何合成原子序數比鐵更高的元素？

要讓鐵元素髮生核聚變，並不是不可能。但是這需要極為苛刻的條件，而且是一筆賠本的生意，整個過程要輸入大量的能量，而釋放的能量很少，輸入要遠比輸出大。在恆星內核中其實很難實現，一般來說，只有兩個極端的天文學現象才可以實現。

首先，超大質量恆星演化到末期時，會爆發超新星爆炸，在這個過程中，就可以形成原子序數大於鐵的元素

超新星爆炸是十分壯麗的天文學現象，它的亮度常常會達到一個星系的亮度，如果距離我們不算非常遙遠，我們甚至可以在白天看到它。而超新星爆炸之後，常常會留下中子星或者黑洞。

而遠比超新星發生的概率還低的是中子星合併，其實就是兩顆中子星相遇了，然後合併到了一起，這個過程中也會形成大量的高順位元素，比如：金。

在宇宙中，

薛定諤的科學

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

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

鐵元素後，核聚變依然能進行。只是聚變將不再釋放能量，而是吸收能量。

所以恆星內的核聚變當聚變到鐵後（準確的說應該是鎳-62，但鎳最後都會變成鐵），因為不再釋放能量，恆星的平衡被打破，核聚變也就進行不下去了。

為什麼鐵之後的聚變要吸收能量？因為鐵的比結合能最高。

解釋比結合能前，先了解什麼是結合能？

結合能不是元素原子核擁有的能量，只是要拆開（裂變）或組合（聚變）原子核時需要吸收或釋放的能量。原子核裡核子數（質子與中子都是核子）越多，結合能越高。

而比結合能=結合能÷核子數，也叫平均結合能。結合能與比結合能之間的關係，相當於GDP與平均GDP之間的關係。

就像GDP再牛也沒什麼意義，主要得看平均GDP一樣，所以核聚變的重點是看比結合能而不是結合能。

鐵的比結合能最高，意味著鐵是最穩定的元素。

由於鐵元素最穩定，所以如果還要往鐵原子核裡面擠核子（聚變）就會變得很困難，所以要消耗大量的能量。

上圖是元素比結合能曲線圖（很多引用說成結合能是錯誤的，一字之差完全不一樣）。從這個圖你還可以知道為什麼氫彈（氫聚變）比原子彈（鈾裂變）威力大。

其實還可以通過愛因斯坦的質能方程：E=MC²，來解釋鐵之後聚變為什麼會吸收能量。

因為鐵之前的元素，也就是輕元素的聚變會損失質量，所以釋放能量，而鐵之後的元素，也就是重元素聚變會增加質量，所以會吸收能量。

為什麼吸收能量，恆星內的核聚變就進行不下去了？

因為恆星是引力與核力之間微妙平衡的產物。

核聚變釋放能量對外形成壓力，與恆星自身引力平衡，恆星才能穩定存在。

從氫元素開始，引力的壓縮使得恆星內部達到了開始聚變所需的高溫，核心先吸收能量再聚變釋放出更大的能量，釋放的能量再為下一次聚變提供能量再釋放，循環往復。

但當恆星內部發生鐵聚變時，不僅不會釋放能量，還會迅速消耗掉恆星的能量，造成恆星坍縮然後引發核爆炸，就是超新星爆發。

而最小規模的超新星爆發所釋放的能量比太陽100億年中放出的能量總和的100倍還多。

強大的能量瞬間在宇宙中形成一個超級反應爐，聚變出所有的元素，包括鐵以後的重元素。

然後在恆星的原地會出現一顆中子星或黑洞。

總結一下

恆星一旦鐵了心想死，攔都攔不住。

在科學界，鐵聚變被稱為“恆星殺手”，終止的是恆星內的核聚變，但開啟的是生命起源的超新星爆發，反而加速了宇宙產生所有元素並拋撒元素的進程，把孕育生命的時間大大縮短，不然又怎麼會有今天的地球，和地球上的我們。

想法捕手

這個問題我希望大家在讀我這段話的時候稍微掐一點想象力，在裡面，因為這個東西沒點想象力真的想不出來，我也是看著一檔電視節目的時候才看到這個玩意兒。

首先，一個恆星他一開始肯定是由氫元素組成的，也就是發生聚變反應的一個重要元素！這個時候整個恆星是一個實心體，東西都緊緊的抱在一起，然後不斷的發生聚變反應。

聚變的時候總會產生一些應該有的廢棄物，但是我們知道整個恆星的內部是核聚變的一個反應的中心區，為了不影響中新區發生強烈的核聚變，那些不要的東西當然是慢慢的往外面排出去，這樣的話，所生產出來的鐵元素不斷的在外圍聚集，形成一個殼子。

隨著鐵元素的不斷增多，咳子越來越大，這也就是為什麼我們看晚年的恆星的話，它的體積會不斷的變大，因為中間所有的質量全部變成鐵元素，排到外面去了，外面就只剩下薄薄的一個空殼子！

等到中間沒有能量繼續維持這個空殼子的時候，恆心開始發生坍塌，然後出現所謂的黑洞，所有的恆星物質全朝中間湧了過去，擁擠在一起的時候，恆星發生爆炸，這個時候坍塌的外殼，再加中間還有沒有發生鉅變的物質全部噴散到宇宙的外太空去。

當然比鐵元素重的原子還有，金元素和銀元素，這兩種元素是怎麼誕生呢？

兩種情況一種是這顆恆星特別大，在外殼都已經形成的情況，基礎之下，還能夠繼續的發生劇烈的反應，為整個聚變提供大量能量，最終造成部分核心內部的物質轉化成為了金元素和銀元素，所以我們在看太空之中某一個隕石是由純金製成的，那很有可能這一個隕石以前是一塊兒恆星的內部核心。

另外一種可能性就是兩個中子星撞擊在一起，中子星的密度比常規的恆星的密度要大，為什麼中子星是由於他的壓力實在太大了？恆星內部致辭我們知道質子都含正電，中子是沒有任何電荷的，質子的正電和其他質子的掙點會發生相斥反應，然後恆星內部巨大的質量又把他們呀，一起最終智子全部被排擠出去了，只剩下中子，這就形成了中子星，中子星的密度是普通恆星的50倍左右！兩顆中子星撞擊在一起，這樣形成的能量足夠讓核聚變上一個臺階，這樣形成了金元素和銀元素。

之所以普通的恆星到了鐵元素這個級別就停止反應，是因為鐵元素在形成的時候會形成一個外殼子，不斷的往外擴大，這樣的話就降弱了恆星內部反映的條件，使得整個恆星的內部，他的反應越來越小，（今日頭條漩渦鳴人yy首發於悟空問答）最終無法支撐恆星龐大的外殼，只能坍塌下去！所以我們一直說鐵元素這個東西是恆星殺手，就是這個東西基本上出現以後，這個恆星就已經宣判了他的死刑了！剩下的只不過是這個恆心如何等待死亡的一個過程。

漩渦鳴人yy

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

上海科技報科普問答主持人：主任記者 吳苡婷

這是一個很有意思的問題，核聚變是恆星生命走向衰亡必須經歷的過程，也是化學元素形成的原因。從氫聚變一直持續到鐵聚變，恆星走完了它的一生。

但是很奇怪的是為什麼恆星到鐵聚變後，就沒有繼續下去，沒有形成其他的重金屬呢？

那是因為前面這些元素的核聚變都會釋放能量，但是鐵聚變時是大量吸收能量，因為鐵原子的穩定性太強了，要增加一個原子要有很大的能量注入。

恆星的能量在鐵聚變中被消耗殆盡，所以走向死亡。鐵元素是核聚變的一個重要分水嶺。所以鐵元素被科學家戲稱為恆星殺手。

其他重金屬的產生要等到中子星相撞時，中子星是比較大的恆星在鐵聚變後因為恆星內部引力塌陷發生超新星爆炸後的產物。兩顆中子星撞擊後有1%的質量會變成重金屬，也就是我們今天說的金、銀、銅、鉑等。我們地球上的重金屬都是形成在宇宙中幾十億年前的中子星相撞事件，它們飄散在宇宙空間裡，也進入了地球的地核中。

科壇春秋精選

如果核聚變到產生鐵元素就停止了，那麼，鐵以後的其他元素如金銀等金屬是為什麼還會存在呢？

核聚變是指質量較輕的兩個原子核發生核的聚合改變，從而生成更重的原子核。核聚變需要非常高的溫度和壓力。

比如我們的太陽系，核心的密度是水的150倍，溫度則高達1500萬度，由此產生的壓強，可達2500億大氣壓，就是這樣的環境下，每秒鐘有七億噸的氫被轉化成氦。並釋放出3.86後面26個0焦耳的能量。

質量較輕的兩個原子核發生核聚變，尚且需要如此高的溫度和壓力，那麼質量更大的原子核，發生核聚變，需要的條件會更加苛刻。溫度會更高，壓力更大。

所以說鐵也是可以繼續聚變的，只是以鐵為分界線，繼續聚變的話，開始不再釋放能量，反而要吸收大量的能量。

質量較輕的兩個原子核發生核聚變，尚且需要如此高的溫度和壓力，那麼質量更大的原子核，發生核聚變，需要的條件會更加苛刻。

所以題主的這個問題，並不正確。鐵也是可以聚變的，只不過是需要的條件非常高。

根據恆星形成與演化理論得出，鐵原子的聚合反應需要60億度以上的高溫，而恆星內部最高也只有幾億度，所以恆星內部的溫度，不足以讓鐵原子發生聚合反應，也就是說恆星內部的聚合最高變到鐵就停止了。

這樣苛刻的條件雖然在像太陽這樣的恆星上不可能實現，所以大多數的恆星都是鐵核，但是在天體演變過程中卻是可以實現的。

尤其是大質量的恆星在演化末期，發生超新星爆發。內部在一瞬間可以形成幾十億度的高溫，並伴隨著中子星的合併，短時間內可以提供足夠的條件使鐵聚變，才能達到鐵原子聚變的條件，從而生成更重的元素，比如鎵鍺砷硒溴溴金銀鉛……鈾鎿鈈等等重元素，然後釋放到宇宙中去。

所以說超新星的爆發才讓這個世界的物質變得豐富多彩。為地球生命的形成提供了物質準備。

宇宙150億年，太陽系不過誕生才50億年，太陽系就是超新星爆發後重新形成的，而太陽系內的那些重元素，也是上一代超新星爆發後留下來的。

所以不誇張的說，每個人都是核廢料構成的，一切都是核聚變的產物。甚至我們現在使用的鐵製品，嚴格意義上來說，都是恆星的屍體的一部分。現在知道為啥我們的地球上有那麼多鐵的原因了吧？

記得科學與人上的一句話：“像金銀首飾這種重元素就是在超新星的爆發中誕生的，當我們佩戴它們時，要記住宇宙製造高檔產品，確實是代價很高的，它需要報廢一顆，至少比太陽大8倍以上的恆星，才能使我們披金戴銀。”

而鐵原子核是當前發現的最穩定的原子核，無論是裂變還是聚變，都要吸收大量能量，所以僅僅有鐵元素是很難發生鉅變的，這就是為什麼地球上存在大量鐵，月球，以及火星上也存在大量鐵的緣故。

因此核聚變到產生鐵停止的真正原因是需要的條件更加苛刻。同時鐵聚變成了“恆星殺手”，讓恆星一步步走向暮年。

當恆星內部的核聚變到鐵終止，最終變成“鐵石心腸”走向死亡，但是卻開啟了生命的又一次輪迴——超新星爆發，智慧生命也許會在這爆發中慢慢形成，比如居住的這顆藍色星球上的我們，身體中依舊留存超新星爆發的很多重元素一樣，是否在某一個瞬間有著似曾相識的記憶，還殘存在我們的意識裡呢？

有書君語：一直倡導終生學習的有書君今天給大家送福利了啦。2019年最值的讀的52本高分暢銷好書，免費領取。從認知思維、情感故事、工具方法，人文社科，多維度承包你一整年的閱讀計劃。

活動參與方式：私信回覆“福利”或點擊閱讀原文即可免費領取。限時福利，先到先得哦~

有書共讀

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

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。

關鍵字: 核聚變 元素 反應