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鐵元素是恆星內部最重的元素，既不會發生核聚變釋放能量，又不能核裂變釋放能量，所以恆星在聚變到鐵元素時就會停止聚變反應。

不過像太陽這樣小的恆星聚變到碳、氧、氖就會停止了，因為恆星聚變是由內部引力致使的，太陽的質量小、引力小，那時太陽外部的力量無法抵抗內部的引力而向核心坍縮。太陽的核聚變就停止了，進入到紅巨星階段，最後形成白矮星。

但是宇宙中比太陽質量大幾倍、幾十倍的恆星有很多，它們有足夠的引力使外部的元素繼續發生聚變反應。元素越輕，原子核質量越大，聚變反應釋放的能量越大，而質量越大的恆星有足夠引力使較重的碳、氖繼續聚變釋放能量，形成更重的硅、鐵等元素，形成一個鐵核心。

恆星的核聚變形成的元素過程如下圖：👇

當大質量恆星的鐵核心形成時，外部就是一圈為聚變完的氫外殼。如果質量大於太陽8倍及以上的恆星，就會以超新星爆炸的方式而結束燦爛的一生，最終形成中子星或黑洞。

弄潮科學

恆星是宇宙中的元素製造者，可以製造元素週期表上氫元素以外的絕大多數元素，但是恆星都害怕製造鐵元素，因為一旦開始製造鐵元素，就意味著這顆恆星將立即走向死亡。

恆星內部的核聚變基本都是從氫元素開始的，一般氫元素聚變到氦元素經歷的時間最長，比如我們的太陽，在100億年左右的時間中，進行的都只是氫元素到氦元素的聚變，當氦元素開始聚變的時候會發生氦閃，並在一瞬間釋放巨大的能量，之後太陽將進入紅巨星階段，其壽命將剩下不到一億年，在這一億年中，太陽內部的元素將聚變到碳、氮、氧等的階段，並不會聚變到鐵元素的級別上，因為太陽的質量還太小，內部的高溫高壓無法達到聚變成鐵元素的條件。

一般認為原始質量在太陽的8倍左右的恆星，進入到紅巨星階段的時候，內部的高溫高壓條件才可以聚變成鐵元素，然而到了聚變成鐵元素這個層次上的時候，聚變的過程已經不再釋放能量，而是開始吸收能量，也就是說鐵元素的聚變合成是吸收能量的，那麼當鐵元素在恆星內部形成的時候，內部向外的輻射擴張壓將消失，整個星體在引力作用下迅速向中心集中，將恆星的內核擠壓成中子星，接著巨量的物質再反彈出去，體現為整個星體的超新星爆發，這也意味著恆星的主序星階段結束了，所以超新星爆發又被叫做恆星的死亡，而鐵元素的創造又被稱之為恆星殺手。

在超新星爆發這一過程中，整個恆星將發出超過其一生核聚變釋放能量上百倍的能量，這種能量遠比恆星平時的核聚變能量高得多，所以在這一過程中，不但會有鐵元素會創造出來的，還會有鐵以上的很多種元素被創造出來，不過這些元素在被創造的時候都是吸收能量的，而且被創造的過程非常快，就在超新星爆發的一瞬間，元素週期表上鐵元素以上的大多數元素就都被創造出來了。

宇宙中還有一種方式可以創造鐵以上的元素，那就是中子星碰撞了，中子星碰撞的時刻產生的能量比超新星爆發還要大，溫度要高一倍，元素週期表上大多數的重元素都可以被創造出來，比如黃金，一般認為中子星碰撞時創造的更多。

我們地球上有形形色色的物質，它們都是由各種元素組成的，這些都是恆星的創造，包括我們的身體，實際上都是來自於恆星創造的物質，也可以說包括我們每個人在內，都是由恆星物質組成的。

人類的方向

比鐵元素，嚴格說是Fe-56更重的元素是在恆星晚年發生大爆炸之中產生的。

由於鐵元素繼續聚變下去，首先要吸收大量的能量，才能完成聚變反應這種反應會使得恆星內部入不敷出，大量的能量被吸收後，恆星將無法抵擋巨大的引力坍縮。於是恆星物質砸向核心，引發了大爆炸。

在巨大勢能的驅動下，恆星物質可以以接近光速的速度撞向核心的鐵核，這種巨大的勢能使得恆星發生爆炸，恆星內部物質也會以同樣額速度向四周飛去。這一過程稱作“鐵芯災變”，從外界看來，就是我們通常說的超新星爆炸。

鐵芯災變的過程，會使得鐵元素獲得大量的能量，於是在這一過程中鐵元素可以繼續聚變下去，於是生成了鈷、鎳、銅、鉑、銀、金等重元素，一直到鈾。

舉個例子：Fe-56的聚變反應：(Fe-56)+n→(Fe-57)+γ，(Fe-57)+n→(Fe-58)+γ，(Fe-58)+n→(Fe-59)+γ，這些核素通過β-衰變，分別轉化成Co-57、Co-58、Co-59，在經過中子俘獲和（或）β-衰變生成Ni、Cu 等更重的元素。

寒蕭99

當恆星核聚變到元素週期表上鐵元素就停止了，那麼鐵元素以上那些元素是如何誕生的？

關於元素的來歷，教科書上告訴我們宇宙大爆炸產生了氫、氦和微量鋰元素，恆星核聚變將誕生從氦到鐵之間的大部分元素，鐵以後的元素是怎麼來的？一般只會交代一句是從超新星爆發中誕生的，但問題是它們怎麼就從超新星中誕生了呢？

恆星上的元素是怎麼發現的？

也許我們得從牛頓的分光實驗開始說起，聽說牛頓是為了躲避瘟疫回到家鄉烏爾斯索普，結果在那裡不但發現了萬有引力，還通過三稜鏡將太陽光分解成了七色，不過牛頓並未在這個問題上過多糾結！

1802年英國物理學家沃拉斯頓在牛頓分光實驗的三稜鏡前加入了狹縫，取得了一幅帶暗線的連續光譜，沃拉斯頓並不太明白這有什麼含義，因此並未被重視。

1814年德國光學專家夫琅和費製成了第一臺分光鏡，發現了明線光譜。

1858年秋到1859年夏，德國化學家本生髮明一種煤氣燈，將各種金屬放在燈上燃燒，發現了明線光譜的差異，從而發明了光譜分析化學元素的方法。

到十九世紀末天文學家已經發現了太陽光中的元素光譜包括氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、硅、鈣、鈉等幾十種元素！但當時並不清楚這些元素是怎麼來的，只是很奇怪太陽上怎麼也會有和地球上很多類似的元素呢？

恆星元素從氦到鐵的過程

要理解恆星的元素聚變過程，也許我們要從發現太陽開始說起，太陽上的元素是怎麼來的還跟史瓦希有關，因為是他根據溫度以及密度和壓力一起計算後認為太陽這種等離子天體可能是輻射為內核與外殼傳遞能量的方式！

1920愛丁頓提出太陽的能量可能來自於氫聚變成氦產生能量，並且認為這個過程可能會產生更重的元素，因此愛丁頓在1926年根據理想氣體為基礎，以太陽氫元素為主的模型計算出太陽內核的溫度可能為1900萬度左右。

1928年伽莫夫根據太陽內核的溫度推導出氕氕聚變成氘的條件，原本愛丁頓計算的太陽溫度並不足以引起氕氕聚變，但伽莫夫解決了質子如何穿透庫倫壁壘完成聚變的量子力學公式。

1939年漢斯貝特則發現了質子-質子反應鏈以及碳氮氧循環是太陽上兩種能量來源，而在太陽這個規模上，質子鏈反應佔主要地位，而碳氮氧循環則比例比較小。

到此為止元素的聚變環節已經通了，恆星和太陽原理一樣，唯一不同的就是質量！我們接下來說說這些元素聚變的過程！假如一顆恆星質量足夠，那麼它能將從氕開始一路到鎳56：

氕→氘→氦-4 → 鈹-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 鎂-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56

很多人以為只到鐵，其實也沒錯，因為鎳-56會經電子捕獲而衰變成鈷-56，最終衰變成鐵-56，因此說聚變到鐵就停止了其實沒啥大毛病，鎳-56的衰變過程：

鎳-56的半衰期為6.02天,以β+衰變成為鈷-56（半衰期77.3天）最終衰變為鐵-56

但更準確的說，恆星內部聚變到鐵並不準確，因為這個半衰期完成前，恆星早已超新星爆發！

鐵以後的元素是怎麼誕生的？

相信很多朋友都已經接受重元素在超新星爆發和中子星合併過程中誕生，但其實在這兩個過程之前，重元素早已偷偷的在產生了，而這個過程就是慢中子捕獲和快中子捕獲！

• 慢中子捕獲

我們先把中子捕獲這個事情搞明白，這是輕原子核向重原子核轉變的一個重要步驟，它主要發生在紅巨星內部，輕原子核可能會捕獲多箇中子，但中子多了會不穩定，通過β衰變釋放出一個電子和一個反中微子變成質子，成為質子數+1新的重元素，當然過程並不如這樣輕描淡寫，但基本原理就是如此！慢中子捕獲很難發生，但在紅巨星龐大體積的內部產生的總量卻不容小覷，據估計恆星內部大約有一半重元素由慢中子捕獲產生！

• 快中子捕獲

快中子捕獲其實和慢中子捕獲原理是一致的，所不同的就是快中捕獲需要鐵原子核為基底，而這個過程伴隨著超新星爆發時內部的超強中子流快速完成捕獲過程，超新星後中子流結束，快中子捕獲過程也將結束，儘管時間很短，但它合成了另一半重元素。

• 中子星合併

其實這是另一個版本的快中子捕獲，或者中子星或者的β衰變產生，因為中子星物質衰變是從大量中子聚合體的衰變，因此產生重元素的概率極高，因此天文學家認為重元素、特別是金元素等貴金屬元素都是從中子星合併中產生。比如2017年的探測到引力波的兩顆中子星合併，天文學家認為產生了數個地球質量的黃金，但很可惜我們夠不著！

元素的來歷就這幾種，當然高能加速器中也能製造新元素，不過成本極高而效率卻極差，僅僅只能做研究沒有實用價值，因此基本上我們人類根本不能替代恆星自己製造元素，即使未來核聚變實現也不行！

星辰大海路上的種花家

鐵元素以上的元素只有在超新星大爆炸或大質量天體碰撞中產生，在恆星本身的熱核反應中無法產生。

這是因為鐵元素聚變不但不會釋放能量，相反還要吸收能量，而垂垂老矣的恆星哪裡有多餘的能量給這位鐵頭陀呢，於是聚變就停止了。中心再也沒有能量維持巨大的引力壓力，巨大的恆星外圍急劇向中心坍縮，這種坍縮是驚人的，速度達到近半光速甚至接近光速。

恆星物質以這麼驚人的速度撞向那個鐵頭頭陀，那個大鐵球還要奮力抵抗，亞光速衝擊鐵核心的物質反彈回來使恆星外殼急劇膨脹，這樣驚天動地的大爆炸就不可避免了。這種爆炸會在幾十個毫秒之間發生，爆發出恆星一生所發出能量總和若干倍。2016年1月發現的一顆超新星爆發亮度達到太陽的5700億倍，比銀河系所有恆星亮度加起來還要亮20倍。

超新星這種巨大的能量爆發，無可估量的高溫高壓當然會使頑固的鐵元素向更重的元素聚變，由此金銀汞鉛等，一直到鈾就這樣生成了。

這些物質在大爆炸中拋灑到了太空，被巨大的衝擊力震碎為齏粉，甚至原子態，成為宇宙中的次生星雲，這種二次星雲在某些機緣巧合下，比如附近發生的超新星大爆炸或者天體大碰撞，在這些引力波的擾動下，依靠自身引力又會聚集起來，形成新的恆星和行星天體，這樣這些天體中就不乏重金屬了。我們地球就是這樣形成的。

產生重金屬的渠道還有天體大碰撞，如中子星大碰撞、黑洞與各種天體大碰撞等等，都會爆發巨大的能量，在這些能量的打壓下，重元素就會應運而生。2017年全世界很多科學家觀測到距離我們1.3億光年遠一對中子星發生碰撞的引力波，這隻碰撞事件導致甩到太空中的黃金渣滓達到300個地球質量之多，不得了吧？

一直以來，這些漂浮在太空的重金屬常常會以隕石方式掉向地球。

地球上的重金屬來源有兩個方面，一個是太陽系形成時地球滾雪球裹挾進來的，一個是後來在不斷的隕石轟擊中得到的。現在地球每天還在接受成千上萬噸的宇宙渣滓的轟擊，以流星和隕石的方式來到地球，其中當然也不乏黃金等貴金屬。

所以說，天上掉餡餅的事並不全是騙人的，如果看有哪位明天願起早一點，或許就會撿到天上掉下來的狗頭金也未可知，那就中大獎了，在此先行祝賀。

對超新星的研究證明了宇宙中所有的元素，都是通過能量轉化而來的，從最開始的輕元素氫和氦，到後面的重元素，都是從大爆炸或熱核反應中生成的。

這些事實進一步證明了愛因斯坦質能方程的無比正確，這個著名的方程表達為：E=mc^2

時空通訊專注於老百姓通俗的科學話題，歡迎大家共同探討。

時空通訊

在宇宙誕生的最初幾分鐘裡，宇宙擁有極高的溫度和密度，氫和氦元素在此期間大量被合成出來。然而，空間快速膨脹，宇宙的溫度和密度迅速下降，原初核合成只有條件合成出大量的氫、氦，以及極少量的鋰和鈹，但來不及合成其他更重的元素。

我們身上包含了許多重元素，例如，碳、氧、鐵，以及還有比鐵更重的銅、碘等元素。那麼，這些元素都是怎麼來的呢？

可以說，多虧了恆星，尤其是大質量恆星，才有了後來的地球生命。宇宙大爆炸製造出了大量的氫和氦氣體雲，在宇宙足夠冷卻之後，它們會在引力的作用下坍縮形成恆星。在重力不斷擠壓下，核心區域的溫度變得很高，氫原子核獲得了足夠高的動能，它們之間能夠克服電磁力的排斥作用，發生碰撞，結合成氦原子核。氫核聚變是所有恆星的第一階段，我們的太陽目前正處於這樣的階段。

當恆星核心中的氫元素耗盡之後，積累在核心的氦元素會通過3氦過程，互相碰撞形成碳元素。接下來，碳又會與氦結合成氧，氧還會進一步與氦結合成氖。對於宇宙中的大部分恆星，也包括太陽在內，核聚變只會進行到這一程度，之後將會膨脹為紅巨星，最終核心坍縮為緻密的白矮星。

但對於那些質量在太陽8倍以上的大質量恆星，隨著不斷的引力坍縮，核心溫度可以上升到30億度，它們可以啟動硅核聚變。在這個過程中，硫、氬、鈣、鈦和鉻等重元素相繼合成。

不過，硅燃燒過程是有限的，不會無限產生更重的元素。事實上，這個過程的持續時間非常短暫，通常只有一天。因為一旦合成出恆星“殺手元素”——鐵，整個核聚變過程將會很快宣告結束。

在鐵之前的元素，比結合能隨著質子數的增加逐漸增大，原子核變得越來越穩定。這些元素髮生核聚變生成更重的元素，將會釋放出能量，所以核聚變能夠不斷進行下去。然而，擁有最大比結合能的鐵原子核發生核聚變之後，產生的能量還沒有吸收的多，所以鐵核聚變會吸收能量。

一旦恆星核心區域的能量被鐵核聚變所吸收，輻射壓會迅速下降，引力坍縮效應占據主導作用。恆星原有的平衡會被打破，核心遭受引力的強烈擠壓之後，將會引爆恆星，導致超新星爆發。

在超新星爆發過程中，將會釋放出巨大的能量和自由中子，鐵原子核可以俘獲中子，合成出銅、碘等重元素，甚至是鈾這樣的超重元素（近些年的觀測表明，中子星碰撞也會產生重元素）。雖然鐵元素殺死了恆星，但也引發了更重元素的合成，這為地球生命的誕生創造了條件。

46億年前，太陽附近的超新星爆發不但送來了重元素，而且還引發太陽系的形成。我們身上的重元素曾經都是那顆大質量恆星的一部分，“我們都是星塵”這句話的含義就在於此。

火星一號

鐵元素以上的重元素，理論表明，是為在學術上被稱為中子俘獲過程的相互作用產生的。

鐵元素聚變在恆星核聚變的整個週期裡，是一個重要的分水嶺——對於大質量恆星而言，在聚變出鐵元素時，事實上已經踏上不歸路了。

這類恆星會在鐵核的坍縮下進一步釋放巨大的重力勢能和核能，把整個恆星體炸的粉碎，即超新星爆炸。

鐵核為何如此特殊，成為恆星的殺手鐧？

鐵核之所以如此特殊，關鍵在於它很高的比結合能。

穩定的鐵核在試圖進一步聚變時，吸收的能量大於聚變釋放的能量，巨大的恆星外殼沒了聚變輻射壓的抵抗，在引力的作用下向中心快速落下，鐵核被整個外層恆星體擠壓拍碎，瞬間釋放落下的巨大重力勢能，恆星由此被炸的粉碎。

產生比鐵元素還重的重元素的中子俘獲過程是什麼？

在恆星中心，壓強極大，溫度高達數千萬攝氏度，氫核以極高的速度到處碰撞。但即便如此，如此巨大的動能在克服氫核（質子）之間的庫侖力進行核聚變仍有困難。

但微觀粒子的行為在細微的時空結構下具有的量子隧穿效應，使得質子在突破庫倫壁壘進行核聚變時，變成了一種概率行為，大量的碰撞使得聚變成為了可能。

庫侖力使得聚變變得困難，但量子隧穿效應使得聚變又成為可能。

在超新星爆發的過程中，會釋放大量的中子，中子不帶電，這是我們中學課本里就知道的，因此中子之間也不會有庫侖力。這樣一來，核子在結合中子時就變得容易多了，於是就能俘獲大量的爆發產生的中子，使得整個核子（鐵原子核）的核子數增大。

這樣的核子並不穩定，為了保持穩定，核子會發生弱相互作用，進行β衰變，所謂的β衰變，可以理解為中子變成質子的過程，這樣一來，質子數增多了。

不同元素之間的不同之處就在於質子數的不同，在增大的質子數後，鐵原子核及其以下的原子核就能變成鐵元素以上的元素，這就是重元素的來源。

科學新視野

因為鐵56過於穩定。鐵不是不能聚變，而是聚變活動所釋放的能量不足以彌補聚變過程所吸收的能量，所以鐵參與聚變反應後，恆星的後續聚變無法繼續維持下去。

核反應驟停，失去核反應輻射壓，恆星的重力開始佔據優勢，恆星內核立即猛烈地以光速向質量重心點收縮。這時候，就有兩個結局，一是恆星內核的質量大於1.6倍太陽質量，將形成中子星。二是恆星內核大於3.2倍太陽質量，則形成黑洞。

無論哪一種結局，恆星殘骸都會發生超新星爆發，收縮產生的巨大溫度與壓力令鐵發生更高級的聚變，時間雖然短暫，但所有超鐵物質都將形成出來。同時，收縮引發的物質碰撞與反作用力將這些超鐵元素拋向外部。

因為超鐵元素的聚變反應要求更高，產生時間更短，所以，這個世界中原子核越重的元素就越少，金比銀少，銀比銅少，而銅比鐵少。就是這個原因導致的。

四川達州

宇宙中的物質都是在時空中結成一個層次一個層次的時空拓撲形式。這種拓撲形式是在自然規律下，引力、電磁力包括強力和弱力，遵守能量守恆(信息守恆)、角動量守恆(時空拓撲守恆)、電荷守恆、費米子數守恆(實物粒子)，形成每個層次的費米子互繞運動拓撲形式，費米子互繞而包圍的內部時空存儲了角動量(能量)；以“隱性光子”形式存儲在物質時空拓撲的內部時空中；當物質拓撲形式變形、變換或破裂時，其內部時空中的角動量(能量)將以“顯性光子”發出其物質拓撲變化信息。

宇宙中的所有元素都是以最簡元素---氫，做為初始存在，然後，先凝聚成星雲拓撲形態，再凝聚成星球(恆星)，再在星球這個“熔爐”中“煅燒”各種元素(鐵以下元素)，將氫元素一步一步核聚變出鐵以下的各元素，同時放出光子(伽瑪射線等)能量和信息。

目前來看，宇宙中的質子以上的物質拓撲形態變化都是自然的、線性可分的規律“指導”下的變化。所以，核聚變自然發生規律是在鐵元素以下。當然，不排除在特殊環境下，“線性擬合”出可聚變出鐵以上元素。

鐵以上元素，也確實是通過強大的引力“線性擬合”，“熔鍊”出來---通過中子星物質，中子拓撲變換而得到鐵以上元素。

目前看，自然過程是線性可分過程，是線性可分規律下的因果變換過程。但是，在人的意識流下，自然信息過程就出現了線性不可分規律下的因果變換過程。

人是宇宙的自然產物。宇宙自然的自洽變換過程“信息編碼”出人這種，具有意識流的“產物”，具有非線性可分規律下的“產物”。也就是說，線性可分形式在自洽運動下，“形成”了線性不可分非線性規律。

未來的宇宙變化過程就是“加入”了意識流下的，宇宙信息編碼過程。宇宙信息編碼空間在何種“運動”、操作或“算符”下成為線性不可分信息空間，類似量子糾纏信息空間(不可直積表達)。

人類用對撞機探索物質深層奧秘的過程，就是“插入”意識流，而使得自然過程“非自然化”，形成了線性不可分過程，或對物質進行了“線性不可分編碼”。

譚宏21

這就和化學反應有吸熱反應和放熱反應一樣，核聚變有釋放能量的，也有吸收能量的。

核聚變一直到鐵元素是釋放能量的，再往上聚變就需要吸收能量。只要有足夠的能量，鐵元素以上的核聚變完全沒有問題，在天體最後的爆發過程中(如超新星爆發)，就有吸收能量的核聚變發生。

釋放能量的核聚變不能自發發生，因為這些反應都是先吸收能量，後釋放能量，差值就是淨能量。

這也和化學反應一樣，氫氣可以和氧氣燃燒生成水，並放出大量熱，但必須先提供能量點燃它。我們還能給水提供能量，讓它重新變為氧氣和氫氣。

只能說釋放能量的核聚變到鐵停止，沒有能量限制，就可以繼續聚變。

關鍵字: 恆星 聚變 科學