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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

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。

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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

1:由於質量不夠大，白矮星內部只能產生元素週期表中鐵以前的元素，這時太陽就成了宇宙中的一顆死星。現在開始擴大質量，如果恆星的質量是太陽的40倍或更高，那麼以上的過程就會更加迅速，此時恆星叫做超紅巨星，恆星內部自然可以產生鐵元素以前的元素，並且是一顆混合星，但是當產生元素的進程到達鐵元素時，熔合過程不能產生大量能量，經過幾十億年後這個巨大的核熔爐就會關閉；

2:但此時的恆星質量還是非常大，在巨大的引力下，恆星內部開始坍縮，電子將倍被壓進原子核，這時恆星的密度是水密度的4000億倍，溫度將達到萬億度，由此恆星開始爆炸形成超新星，巨大的熱量將合成鐵以後的重元素，這就是重金屬元素的形成過程。

在這裡我們可以想到，地球上有大量的鐵礦石，在地球形成之前，就有一顆已經死亡了的超新星，其拋出的隕石碎片內含有鐵礦石，然後被太陽的引力俘獲形成今天的地球。所以，地球上的重金屬元素基本都是死亡的恆星合成的，只有當恆星的引力大到可以將電子壓入原子核時，恆星的核聚變進程才能持續到鐵以後的元素。

恆星之力

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

簡單來說，是因為鐵元素的特殊性，具體什麼特殊性呢？

一般的聚變反應，不僅僅是釋放能量，在失釋放能量之前還需要吸收能量。而多數情況下的核聚變，比如最常見的核聚變（氫聚變成氦）產生的能量比吸收的能量要多，這也是為什麼太陽核聚變能持續進行下去的重要原因之一，不單單是因為太陽核心的超高溫和高壓！

那麼當核聚變到了鐵元素時，情況就變得不一樣了，因為鐵元素的比結合能很高，意味著鐵聚變是吸收的能量比釋放的能量要多，這會造成什麼結果？

很明顯，隨著聚變的進行，很快就沒有足夠的能量炮核聚變進行下去，所以一般恆星聚變到鐵就停止了！

那麼如此說來就不應該有比鐵更重的元素了，但為何我們仍能見到如此多比鐵重的元素？這些更重的元素到底是如此產生的？

主要是通過超新星爆發產生的，質量比太陽大很多的恆星在核聚變停止後，在萬有引力的作用下開始急劇向內坍縮，造成核心部分溫度壓力迅速上升，由此產生了能夠讓鐵繼續聚變下去的恐怖環境，幾乎在一瞬間，超高的溫度和壓力讓鐵元素聚變成更重的元素，然後伴隨著超新星爆發被拋灑到星際空間，如今我們見到的金銀等重金屬多數都是超新星爆發產生的！

宇宙探索

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？

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有書共讀

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

由於核反應溫度的升高，原子已經無法抵抗彼此的結合導致反應出現爆炸形成，在聚變時會發生質量能轉換的，隨著重物質不斷生成其聚變放出的能量就越來越少，而鐵的聚變所要吸收的能量大於其聚變放出的能量，在核聚變爆炸產生高溫，高壓的同時，鐵元素也會產生聚變形成其它重金屬，但相對於其它元素要穩定。在元素中，鐵的原子質量相當於它的核子數是最小的，原子核內質子和中子之間同時存在電磁相互作用與強相互作用，兩種作用力的代數和達到最小值的時候，原子核就最穩定，而這兩種相互作用達到最小值恰好是質量為56，另外，比結合能越低，原子就越不穩定，這是因為原子釋放能量的潛力越大，能量越高越不穩定，而比結合能是有最大值的，最大值出現在質量數為56的位置，就正好是鐵的位置

雨雲風5

就像我們的太陽一樣，所有恆星都是通過核聚變來發光發熱的，這是因為聚變的過程中會釋放能量，恆星通常都是從氫元素開始聚變，由氫元素聚變成氦元素，通常為四個氫原子聚變成一個氦原子，但是鉅變之後的氦原子比4個氫原子的質量要小，這說明在這一過程中會有質量損失，而損失的質量正是轉變成了能量。

通常大質量恆星從氫元素開始聚變成氦元素之後，會順著元素週期表一路向上聚變，因為氦元素可以聚變成鋰元素，接著鈹元素，硼元素等一直聚變下去，直到出現鐵元素的時候，這個恆星的死亡時刻就會到來，因為一旦鐵元素在恆星內部開始出現，就代表著超新星爆發要開始了，這顆恆星會發生劇烈的爆炸，之後轉變成一顆中子星或者黑洞。

那麼為什麼進行的鐵元素的時候，恆星內部的核聚變就不能再進行下去了呢？原因說起來也簡單，就是鐵之前的元素再聚變成鐵元素的時候已經不是能量釋放狀態了，而是需要吸收能量才可以做到。

為什麼鐵之前的元素聚變的時候可以釋放能量，但是鐵元素就不能再釋放能量而需要吸收能量了呢？這裡就必須得說一下中子的形成了，當一個質子和一個電子合成中子的時候，它是需要吸收能量的，因此中子的質量通常要比一個質子和一個電子相加之和要大。

鐵原子的構成是26個質子26個電子和30箇中子，合成如此多的中子需要吸收大量的能量，因此合成鐵元素需要吸收的能量已經超過了低級元素據變成鐵元素原子核釋放的能量，所以當恆星內部出現鐵元素的時候，就代表著這顆恆星內部需要吸收的能量已經超過了其釋放的能量。

當恆星內部不再釋放能量的時候，它的內部輻射壓將陡然減少，巨大的引力壓縮之下，所有的物質都會向核心集中，因此恆星塌縮現象就發生了，而且這樣的事情只發生在一瞬間，巨大的質量會將恆星的中心元素進一步聚變，所以這一瞬間也會產生鐵以及鐵以上的很多元素，而且這些元素都是需要吸收能量的，恆星的中心會產生1000億度的高溫，在劇烈的高溫高壓之下就形成中子星，而當中子星形成之後，繼續坍縮的物質撞擊到中子星的表面就會被反彈出去，從而也就會發生劇烈的超新星爆發現象了。

如果恆星中心但溫度更高壓力更大，溫度超過3000億度，那麼很可能就會產生黑洞了，產生黑洞的超新星爆發的時間通常都很短暫，因為黑洞會迅速吸收發生超新星爆發的恆星的物質，幾乎會將整個恆星都吸入其中。

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