構成我們的物質從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結者?

2020-12-14 星球上的科學

人類生存於地球之上,地球這顆星球又與其他星球一起生活在宇宙之中,而宇宙又由物質構成,就像在細胞內有100多種化學元素,其中的氧、碳、氫、氮這四種元素佔我們人體構成的96%,那麼構成我們的物質從何而來?

追其根本,物質的起源其實就是宇宙的起源

關於宇宙來源於大爆炸的宇宙模型已經被證實了半個世紀,改變了我們對宇宙的概念。最初關於宇宙起源這個問題困擾了很多科學家。

首先是牛頓,眾所周知牛頓提出了著名的萬有引力定律,但是他依然不明白宇宙是如何誕生的,可以說這個問題困擾了他的一生,但是始終沒有一個滿意的答案。在萬有引力定律的基礎上,牛頓認為宇宙中的任何萬物都在萬有引力的作用下向中心聚攏,最後聚攏成一個點,但是這些天體被誰推動的,卻無法解釋。

直到愛因斯坦廣義相對論的場方程提出,他發現宇宙是隨著時間的流逝而發生膨脹,在他看來宇宙是靜態的,是永恆的,因此愛因斯坦在這個場方程中加了一個宇宙學常數,換句話來說,只要這個常數進行合理的取值,那麼宇宙就可以處於靜態。

但是在當時有許多科學家不認同愛因斯坦的觀點,他們則認為宇宙學常數應該去掉,宇宙就應該是膨脹,如果按照時間往回推演,宇宙的誕生是源於一個奇點。

在上世紀20年代的時候,哈勃突破了這一問題,由於他長期觀測銀河系的天體發現絕大多數的天體都在離我們遠去,而且離我們距離越遠,其速度就越快,這進一步說明了空間在膨脹,以至於這些天體也在遠離我們,這是對於宇宙大爆炸這一問題的第一個觀測證據。

隨後在上世紀60年代宇宙微波背景輻射的發現以及氦元素豐度的確定讓科學家們更加確信宇宙大爆炸的理論。目前根據普朗克衛星觀測,我們知道了宇宙大約誕生在138億年前,現如今宇宙中的物質粒子都是在宇宙大爆炸之後4分鐘內形成的。

直到宇宙大爆炸後來的38萬年,宇宙溫度才下降到3000度左右,而宇宙也從粒子粥一樣的混沌狀態變得透明,光子開始在宇宙中穿梭,原子結構得以形成,而太陽系也形成於46億年前。

氫元素位於元素周期表中的第一位,在宇宙中的含量要比其他的元素都要多得多。一顆恆星誕生之後,其成分主要都是氫元素,隨著恆星內部溫度升高,發生核聚變反應,而這個時候氫元素就會進行一系列的化學反應。核聚變的反應順序大致為氫元素——氦元素——碳元素——氧元素——氖元素——鎂元素——矽元素——鐵元素……

恆星內部的核聚變反應

每顆恆星的內部都有極高的壓力和溫度,所以在恆星的內核可以發生核聚變反應,由於氫元素發生核聚變反應所需的要求是最低的,而且氫元素也是恆星的主要構成成分,所以在恆星內部,核聚變反應都由氫元素開始,產物為氦元素;

如果當恆星的內部溫度和壓力足夠時,那麼氦元素將會開始聚變從而生成更重的元素,產物主要以碳和氧為主,同時還會有一些少量的氖元素;恆星內部溫度再度升高,碳元素氖元素、氧元素開始發生聚變,最後的產物主要是矽元素,還有一些鈣、硫等元素。

對於宇宙中的低質量恆星來說,當核聚變到引力不足以對抗內部核聚變時,會膨脹為紅巨星;對大質量的恆星來說,在演化的末期溫度極高,最終就會引發矽元素的聚變反應,產物主要是鐵。

而當恆星內部有鐵元素產生後,恆星會變得不穩定起來,而聚變生成的鐵元素會在大質量的恆星內部聚集,最終在內部形成一個鐵核心,此時在恆星內部,核聚變反應不再對外釋放能量,還會吸收外部能量,此時恆星的內部就會失去抵抗重力的能力,而恆星的體積也會急劇收縮,導致外部物質迅速坍塌,引發超新星爆炸,在這個過程中,還會形成原子序數大於鐵的元素,但是這種情況一般不容易發生。

為什麼鐵元素是核聚變的終極者呢?

迄今為止,我們宇宙中已知的化學元素共有118個,世間萬物都是由元素構成的,而元素是由恆星聚變產生的。但是恆星的演化卻只能進行到鐵56,就不會再繼續核聚變,大家應該都知道物質都是由微觀粒子構成,原子內包含原子核和核外電子,而原子核又是由中子和質子構成,這些各種各樣的粒子聚在一起,甚至是帶正電的質子聚在一起,再加上核子之間又存在很強的相互作用。

換句話來說,如果想要把這些核子分開,那麼需要的能量則是巨大的,這種能量我們稱作為結合能,「比結合能」則指的是結合能除以核子總數,比結合能越大的原子,其結合會更加緊固,要想把它們分離必須需要非常大的能量才可以。

在118種元素中,鐵56的比結合能就是最大的,這說明了鐵56是最穩定的,不會輕易被分開。我們可以理解成,如果比鐵56更重的會核裂變成鐵56,比鐵56更輕的就會核聚變成鐵56,總的來說就是鐵56是這些元素的「首領」,兩邊的元素都會傾向它。

相關焦點

  • 構成地球的物質從何而來,為什麼說鐵元素是核聚變的終結者?
    從我們所生活的地球上的物體,再拓寬視野進入太陽系,然後是銀河系,再到更加廣袤的河外星系,共同組成了我們可觀測宇宙的一部分,而這些宏觀物體都是由微觀原子構成,而微觀原子又由於質子和中子的不同組合,形成了豐富多彩的物質世界。那麼,我們追根溯源,這些物質都是怎麼來的呢?
  • 恆星只能核聚變到鐵元素,鐵之後的元素是如何誕生的?
    恆星的核聚變最多只能進行到鐵元素,那么元素周期表上的其它元素是從哪裡來的呢? 我們這個宇宙的元素究竟是從哪裡來的呢? 太陽有71.3%的物質是由氫氣組成的,氦氣佔27%,其它的元素僅佔了2%,那麼太陽中的氫氣是從哪裡來的呢?
  • 恆星內部核聚變到鐵就停止了,那宇宙中比鐵重的元素怎麼產生的?
    恆星內部核聚變的程度,由其最初所吸聚的物質多少直接相關,也就是吸聚物質越多,一般情況下其內核的溫度和壓力就會越大,那麼其核聚變最終產物的原子序數也越高,向外釋放的能量也就越高,核聚變程度就劇烈,恆星的壽命相應就越短。通常情況下,質量介於0.08到0.8倍太陽質量的恆星,內核只能通過核聚變形成氦。
  • 恆星核聚變的終點是鐵元素,但是我們太陽的聚變過程到達不了鐵!
    鐵原子擁有最穩定的原子核,是核聚變與核裂變的「終點」,大質量恆星內部的核聚變到鐵就停止了,最後在恆星中心形成一個不穩定的鐵核,但是中小質量恆星由於溫度太低,聚變過程根本到達不了鐵元素。我們宇宙元素豐度最高的是氫元素和氦元素,分別是73.9%和24.0%,兩者一共佔了宇宙所有元素的97.9%,在萬有引力的作用下,宇宙中大量的氫元素和氦元素聚集,最後塌縮為一顆恆星。
  • 核聚變到鐵就停止了,元素周期表中鐵之後的元素都是咋來的?
    在這段時間內,高能光子的對撞會產生一對正反粒子,每十億對正反粒子還會繼續湮滅產生高能電磁波,同時會有一個正物質粒子倖存下來。也正因此,如今的宇宙才是正物質構成的。到了宇宙大爆炸之後的38萬年前後,宇宙的溫度下降到3000度左右,原子結構得以形成,光子在宇宙中傳播。此時形成的原子主要是氫原子、氦原子。這兩個元素是元素周期表最靠前的元素。
  • 恆星核聚變無法生成金元素?那金元素是怎麼來的?
    此時,宇宙中主要的基本原子是氫原子和氦原子,氫元素和氦元素是元素周期表上最靠前的兩個元素。至於元素周期表上其他的元素到底是咋來呢?從氫元素一直到鐵元素,實際上都是從恆星的核聚變反應中來的,那麼問題來了,比鐵元素原子序數更大的元素是咋來的呢?
  • 恆星核聚變並非到鐵為止,而是以特殊方式,製造出我們認知的世界
    恆星中產生了鐵元素後,那些鐵元素(由於最重)向恆星中心集中,那周圍的那些輕核元素可還是在聚變反應啊,這個時候鐵元素周圍依然有百億度高溫,按道理鐵元素在這樣的溫度下還可以繼續聚變啊,怎麼就到鐵元素為止了?
  • 人類研究可控核聚變使用的是氚–氘,可以使用其他元素嗎?
    理論上任何低於鐵的元素都可以進行核聚變反應,並釋放大量能量,但是目前人類引發核聚變的手段,主要靠提高溫度,在所有核聚變當中,氫元素的核聚變反應所需溫度最低,其中又以氘-氚的聚變最容易實現。核聚變所需條件根據愛因斯坦的質能方程,元素的平均核子質量決定了元素的聚變或者裂變方向,在所有元素當中,鐵元素的平均核子質量是最低,所以低於鐵的元素,理論上都可以聚變。
  • 宇宙中的物質從何而來?真的是無中生有嗎?愛因斯坦給出了答案
    我們都知道,人類生存的世界是一個名叫地球的行星。而地球的外面則是浩瀚廣闊的宇宙,在人類走出地球看到浩瀚宇宙的那一刻,我們就對宇宙的神秘產生了無限的興趣。我們用科學來研究探索世界的奧秘,在探索的過程中,我們發現了宇宙是由物質構成的。沒有物質就不會有恆星,行星,也不會有地球生命,不會有人類的誕生。
  • 像太陽這樣的恆星在內部核聚變結束後,會變成什麼?
    我們太陽系的核心是處於絕對主導地位的太陽,依靠著自身進行的核聚變,源源不斷地向外界釋放光和熱,為我們地球生命的誕生和生物世界的發展演化提供了不可或缺的物質和能量來源。太陽的演化歷史,是宇宙中絕大多數恆星共同具有的特徵,那就是在質量滿足一定範圍的條件下,所推動輕型物質向重型物質聚變的一個普遍過程,只是質量的差異造成了演化的最終結局不一樣而已。
  • 核裂變與核聚變是兩個相反的過程,為何都能釋放能量?
    核裂變與核聚變釋放能量,是以鐵-56為分界線的,鐵-56的比平均結合能最低,是所有原子核中最穩定的。我們知道,氫彈的爆炸原理是核聚變,原子彈的爆炸原理是核裂變,核裂變與核聚變似乎是兩個相反的過程,為何都能釋放大量能量呢?
  • 為什麼26號元素鐵,可能是宇宙最後一種元素?
    但在宇宙中,最為常見的元素是元素周期表中的前兩種元素——氫和氦,其中氫的質量佔比為75%,氦的質量佔比為24%。氫和氦合計佔到了宇宙總質量(重子物質)的99%,其他更重元素的佔比僅為1%。質量達到地球33萬倍的太陽,其元素組成與整個宇宙的情況相一致。宇宙中的元素都是怎麼來的?
  • 為什麼鐵元素會引發超新星爆發?地球上那麼多鐵會很危險嗎?
    當內部參與核聚變的物質數量減少時,溫度降低,核聚變程度減弱,向外的輻射壓減小,向內的重力作用就會佔據主導地位,引起外殼物質的向內坍塌。鐵元素為何能激發超新星爆炸大質量的恆星最後在聚變形成大量的鐵元素之後,會形成一種元素分層分布的洋蔥結構,中心為鐵核,向外依次為矽層、鎂層、氧層、碳層、氦層、氫層。
  • 核聚變反應需要上億度高溫?怎麼測量?溫度到底是什麼?
    核聚變反應的發生,有一個重要的前提,就是需要極高的溫度。有多高呢? 目前聚變界常規的「小目標」都是:一億度!因此,啟動氫彈裡面的核聚變反應,首先需要一顆原子彈做「引信」,而對於磁約束核聚變裝置,為了實現這一億度的高溫,則需要龐大的加熱系統提供能量輸入。
  • 宇宙中的元素,從何而來,將有何變化?
    儘管我們的宇宙以及我們能觀察到的宇宙性質都是基於原子及其相關成分的量子和電磁性能,但十分重要的一點是,宇宙的初期,並不具備足以創造我們如今所知物質的所有元素。甚至恰恰相反,它開始不存在任何元素。我們每個人體內都需要C、N、O、P、Ca和Fe這些元素。地球地殼則需要矽和大量其他重元素構成,然而為了不斷產生地核內的熱量,需要元素周期表內我們能在自然界中找到的最重的元素:釷、鐳、鈾,甚至是痕量的鈽。
  • 地球上比鐵元素大的元素是哪裡來的?
    恆星:元素煉丹爐我們都知道,恆星的燃燒本質是核聚變反應。但是實際上這個核聚變和我們地球上人類發明的氫彈是不太一樣的。人類要點燃一顆氫彈,一般會像點著原子彈,原子彈可以創造出一億度以上的環境,這時候就可以達到氫彈的引爆條件。
  • 巨行星 「火熱的心」 源於核聚變反應
    國際合作團隊的科研成果導向了一個更大的科學問題,即:核聚變反應如何發生?如何控制核聚變反應?核聚變物理學家希望通過核聚變實驗開發新的核能,以化解人類面臨的能源危機和環境汙染的雙重困境,(人類文明的發展面臨了「現代化陷阱」,科學技術為人類的生產和生活活動提供了導航作用。
  • 白矮星表面溫度有多高,亮度從何而來?
    提到宇宙中能夠發光發熱的天體,我們很自然就會想到恆星,恆星依靠自身的聚變反應釋放出巨大的能量,為周圍的星體帶來光和熱。遺憾的是,恆星的聚變反應並不是無休無止的,當恆星上的氫元素耗盡之後,氫核聚變便會轉變為氦核聚變,緊接著聚變過程會逐漸向更重的元素推進,大質量的恆星通常能夠將聚變過程推進到鐵元素,由於鐵元素的聚變會由釋放能量轉為吸收能量,於是輻射擴張壓消失,整個恆星便會急劇坍縮,在經歷超新星爆發之後,形成一顆中子星或者黑洞。
  • 鐵元素才是宇宙的「最強王者」?宇宙最後真的會只剩下鐵嗎?
    我們知道,宇宙間存在著一種神奇的元素——鐵元素,與其它元素不同,鐵元素具有很強的穩定性。根據元素周期表中元素的排序,鐵元素之前的元素會因為物質聚變的原因不停地產生排名靠後的元素;而鐵元素之後的元素則會因為衰變的原因不停產生排名靠前的元素。而這兩種作用的最終結果會在鐵元素的位置停止!所以有人認為宇宙最後只會剩下鐵元素,因為根據熱力學第二定律,其它元素終將轉變為鐵元素!
  • 同樣是核聚變,為什麼太陽能燃燒100億年,而氫彈一下就炸了?
    氫彈的原理首先,我們先來聊一聊氫彈的核聚變。要了解氫彈的核聚變,我們就得先搞清楚什麼是核聚變。這裡的「核」指的是原子核。核反應實際上分為核聚變和核裂變。從字面意義上,我們其實也能知道,核聚變就是幾個原子序數小的原子核發生融合,而核裂變實際上就是原子序數大的原子核分裂成原子序數小的原子核。