為什麼26號元素鐵,可能是宇宙最後一種元素?

2020-12-25 火星科普

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目前,人類已知的元素共有118種。從第1號元素氫(H)到第98號元素鉲(Cf)都可以在地球上找到,更重的元素則是通過人工合成出來的。理論上,人類還可以合成出更重的元素,最重的元素有可能是第184號元素。

在地球上,氧、矽、氮、鋁、鐵等都是十分常見的元素。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?

宇宙中幾乎都是氫和氦,它們最初來自於138億年前的原初核合成過程。在宇宙從大爆炸中創生幾分鐘後,強核力讓質子和中子形成,並將它們束縛在一起,大量合成出了氫和氦。但由於空間快速膨脹,宇宙迅速變冷,更重的元素沒有條件合成出來。

大約1億年後,由氫和氦組成的氣體雲在引力的作用下,坍縮成恆星。在恆星的核心區域中,氫原子核發生核聚變反應,結果會形成氦。當氫耗盡之後,氦繼續進行核聚變反應,合成出碳、氧等更重的元素。

對於質量大於太陽8倍的恆星,它們可以一直合成到第26元素鐵、27號元素鈷、28號元素鎳。鈷、鎳最終又會轉化成更為穩定的鐵-56,這是恆星核聚變反應的終點。

由於鐵的核聚變是一個淨消耗能量的過程,這會打破恆星的靜力學平衡,引發大質量恆星發生超新星爆發。超新星爆發會釋放出極為巨大的能量,並產生大量的自由中子,它們能夠被鐵俘獲,進一步合成出其他重元素。此外,白矮星、中子星的碰撞過程也會產生重元素。

那麼,為什麼會說第26號元素鐵可能是宇宙中的最後一種元素?

鐵元素很特殊,其比結合能在所有元素中最高,這意味著它們的原子核最為穩定。準確地說,最穩定的鐵原子核是鐵-56,其中包含26個質子和30個中子。鐵之前的元素進行核聚變會釋放出能量,鐵之後的元素進行核裂變會釋放出能量,正因為如此,最為穩定的鐵才會引爆大質量恆星。

原子核總會朝著最為穩定的形式演變,只要給予足夠漫長的時間,最穩定的鐵-56將會是宇宙中所有元素的終點。根據熱寂理論,宇宙將會在10^1000年後,達到熵值最大的狀態。到了那時,通過量子穿隧效應,鐵之前的元素會不斷發生核聚變,鐵之後的元素會不斷發生核裂變和核衰變,直至全部轉變為鐵-56。

最終,當宇宙演化到熱寂時,宇宙中所有的元素都會轉變成最為穩定的鐵-56,它們不會發生核聚變,也不會發生核裂變,宇宙中到處都是沒有生機的「鐵星」。當然,這個前提是構成鐵原子核的質子不會發生衰變。如果質子也會衰變,那麼,光子與輕子將會是宇宙中所有元素的演化終點。

相關焦點

  • 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!
  • 宇宙中所有元素,最終都會變成「鐵」嗎?這種說法是怎麼來的?
    在宇宙最初誕生於一場大爆炸的時候,宇宙當中的元素就只有氫元素(H)和氦元素(He),到後面這些輕元素陸續在特定的條件下,繼續發生核聚變反應,才生成了如今元素周期表上大部分的元素,氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖鈉鎂鋁矽磷硫氯氬鉀鈣……那麼宇宙當中的所有元素,最終都會演化成為鐵元素(Fe)嗎?這種說法是怎麼來的?
  • 為什麼第26號鐵元素會引爆超新星?地球上那麼多鐵會不會很危險?
    如果沒有發現鐵元素,那麼也不會有現代社會,更不可能進入宇航時代! 為什麼恆星發展到鐵就會死? 恆星能保持大致球體的原因有兩種,一種是引力坍縮致靜力平衡,另一種是恆星內部產生的輻射壓,所以恆星的呈現在宇宙中形態,就是一個高溫的等離子球體,它會因為自轉而略扁,但密度並不會比水高很多,比如太陽的平均密度只有水的1.4倍!
  • 鐵元素為什麼無法繼續聚變?那麼比鐵重的元素又是怎麼來的?
    我們知道物質密度越大引力就越大,所以那些物質密度稍微高的地方就會開始在引力的作用下吸積周圍的物質,由於引力是一種失控的力,也就是密度越大的區域形成物質團塊的速度更快,而物質聚集就會導致核心溫度的升高,超過一定的閾值就會在核心區域點燃核聚變。核聚變的過程就是一個將輕元素融合為重元素的過程,並且損失的質量會以能量的形式釋放出來,這就是恆星發光發熱的根本原因。
  • 元素周期表包含了宇宙中的所有元素嗎?
    不同元素的區別在於質子數的不同,例如,氫包含一個質子,氧包含8個質子,鐵包含26個質子。人類對於化學元素的正確認識始於門捷列夫,他找到了元素的周期規律,並製作出了能夠預測未知元素的元素周期表。此後,科學家不斷發現新的元素,逐漸填補了元素周期表的空白。在自然界中,人類可以找到從1號元素氫到98號元素鉲。
  • 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?
  • 恆星核聚變到鐵就停止了,比鐵更重的元素是如何形成的?
    而元素的形成和宇宙的演化以及恆星的演化等是分不開的,其中在我們已知的宇宙中,氫元素的含量是非常高的,在元素周期表中也是排在第一位的。所以這次我們要來討論一下元素周期表上元素來源,尤其是鐵之後的重元素。 到目前為止,已發現了118種元素,其中92種為天然元素,剩下的26種為合成元素,在天然元素中,92號元素——鈾元素是地球上原子序數最大,而原子序數大於92的人工超鈾元素都是極其不穩定的放射性元素。
  • 宇宙重元素來源之謎解開 從元素周期表到宇宙"鍊金術"
    填補元素形成問題  的最後缺環  事實上,人類真正摸到門徑,來解決門捷列夫的難題,要等到20世紀核物理學和宇宙學取得豐碩成果之後。研究表明,宇宙中三種最輕的元素——氫、氦和鋰,都誕生於宇宙的最早時刻。
  • 宇宙中共有多少元素?地球之外或只有94種,全宇宙唯地球元素最多
    那些比太陽質量更大的恆星則會繼續核聚變燃燒下去,生成元素周期表上更高級的元素,不過當恆星內部開始合成鐵元素的時候,它就會發生超新星爆發了,這是因為鐵元素形成的時候不會釋放能量,而是會吸收能量,這個時候恆星內部的輻射壓會消失,恆星外部巨量的物質會迅速向中心坍縮,將核心擠壓成中子星,而在這一過程中也會有巨量的能放能量釋放出來,在一瞬間合成元素周期表上鐵元素以上的多種元素
  • 為什麼鐵元素會殺死恆星?
    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。
  • 核聚變到鐵就停止了嗎?那宇宙裡比鐵要重的元素是怎麼形成的?
    核聚變到鐵並未停止,只是能核聚變到鐵的恆星,離死就不遠了,隨著臨死前的一場爆炸,是可以聚變出所有自然元素的,這場爆炸稱為「超新星爆發」。自然界元素的由來首先大家要知道整個宇宙中幾乎99%的元素都是氫和氦。這兩種最簡單的元素充斥了整個宇宙空間。
  • 鐵元素
    公眾號回復【萬題】,免費獲取萬題歸宗專業資料公眾號回復【醫心醫意】,免費獲取「醫心醫意新版圖書一套」鐵元素在人體中發揮著重要的作用,因為鐵元素是人體中重要的微量元素,並且在人體不斷發育的過程中鐵也是在不斷變化的,因為會受很多因素影響,所以容易發生鐵缺乏或者鐵過量的問題。今天,就一起學習一下鐵元素。
  • 恆星核聚變到鐵元素就停止了,那麼鐵元素以上的元素是怎麼來的?
    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?
  • 宇宙中的兩種元素,一種是被發現的,另一種是沒被發現的
    網友:茫茫宇宙,是否還有可能找到元素周期表中沒有的元素?回答:元素周期表只是一個排序列表,記錄著1, 2, 3, 4, 5……號元素。無論如何,它依然是元素周期表,它可能和您已經習慣的那一種不太一樣,但是您所習慣的那一種與門捷列夫最早創造的元素周期表也不盡相同。圖解:門捷列夫於1897年很久之前,元素在排序表上的位置有些奇妙,因為數字排序的規則並不明確自然。
  • 宇宙中最重的元素會是多少號元素?元素周期表有盡頭嗎?
    我們所看到的世間萬物,其實都是由各式各樣的元素構成,在過去的日子裡,科學家將各種元素按原子核內的質子數量(核電荷數)由小到大的順序給它們編了號,原子序數越靠後的元素就越重,例如氫原子核內只有一個質子,那麼它就是1號元素,而氦原子核內有兩個質子,它就是2號元素,其它的以此類推。
  • 元素周期表中,第3、4和5號元素,為何在宇宙中非常罕見?
    導語:元素周期表中,第3、4和5號元素,為何在宇宙中非常罕見?地球上,人們進行化學研究時,需要用到各種化學元素。有些化學元素價格親民且量大,有些化學元素即使是耗費上千萬也只能得到零點幾克。這樣的現象不僅僅只是在地球這顆星球上存在,在整個宇宙中,有些化學元素同樣稀缺,這幾個元素分別是3號元素鋰,4號元素鈹,5號元素硼。那麼為什麼這幾個元素在宇宙中也同樣罕見呢?這就要涉及到恆星的發展過程中元素的轉變了。宇宙中充斥最多的元素就是氫和氦,其次才是氧。當一顆恆星形成時,它本身所攜帶的氫會發生核聚變。
  • 元素周期表的元素在宇宙中只佔冰山一角嗎?
    雖然元素周期表中的元素種類看似不多,但它基本上已經包含了整個宇宙中所有可能自然存在的元素。宇宙中不大可能會自然存在元素周期表之外的其他元素,元素周期表放在整個宇宙來說並非只佔冰山一角,可以說已經比較全面了。
  • 元素周期表中的元素都是咋來的?
    可能你要問了,為什麼會一直到鐵?而不是一直持續下去?如果我們從原子核的層面來看,鐵原子核是最為穩定的原子核。我們也把這種情況叫做比結合能最大。原子序數比鐵元素小的元素原子核發生核聚變都能釋放能量,都有聚變的趨勢;而原子序數比鐵元素小的元素原子核發生核裂變都會釋放能量,都有裂變的趨勢。
  • 驚喜:宇宙中第三常見的元素與你所認識的不一樣!
    氦元素融合形成碳元素,在更高的溫度(經過一段時間)碳元素融合形成氧元素,氧元素融合形成矽和硫,矽最後會融合形成鐵元素。在這條聚變鏈的終端,鐵元素不會再融合成為別的元素,所以星核內爆,恆星成為了超新星。
  • 宇宙中的元素含量
    到目前為止科學家發現的元素有 118 種:氫氦鋰鈹硼,碳氮氧氟氖 ...