恆星聚變只能到鐵元素，那麼黃金這些貴金屬元素來自哪裡？

2020-10-18 星辰大海種花家

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，德國化學家本生發明一種煤氣燈，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、矽、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 → 矽–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個中子，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！

相關焦點

  • 恆星聚變到鐵就超新星爆炸了，那麼比鐵重的元素是怎麼誕生的？
    區別元素的標準是什麼？氫氦鋰鈹硼、碳氮氧氟氖......這是各位都很熟悉的元素周期表，順序則是從1開始依次加大，最終到自然界序號最高的92號鈾元素！那麼區隔元素類別的標準是什麼？宇宙誕生時產生的元素宇宙中所有物質都來自與大爆炸，這從宇宙的膨脹與微波背景輻射以及原初元素的豐度可以推測出在宇宙的早期發生了一次物質的誕生過程，我們從元素的階段開始：從大爆炸產生到10^-6S時夸克和膠子已經低於相變溫度下誕生，隨之它們結合形成了質子和中子！
  • 恆星核聚變產生鐵和更重的元素,太陽系絕大部分的氫從哪裡來?
    宇宙中豐度最高的元素就是氫元素，排在氫元素之後的就是氦元素。在太陽系也是如此，如果按照質量計算太陽系的氫含量大約佔了百分之70%，當然了太陽的質量是太陽系質量的99.8%，其他八大行星加上小行星、長周期彗星、柯伊伯帶內的天體、一些天體碎片等只佔了很小的一部分。
  • 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？
    上圖就是太陽聚變重元素的過程，但最後也只能將元素聚變為碳、氮、氧，並發生循環，最後太陽會在行星狀星雲中死亡，在其核心會留下以碳為主的白矮星。 但是在質量更大的恆星中，會將元素一路聚變到鐵，上圖展示了更大質量的恆星各種元素聚變發生位置，那麼恆星最後的聚變為何會在
  • 恆星核聚變到鐵就停止了,比鐵更重的元素是如何形成的?
    ，一層一層的進行著不同的核聚變反應，只要恆星的質量足夠的大，在其內部的反應就可以一直進行下去，從氕到氘，再從氘和氕聚變成氦三，再從氦三聚變成氦四，再到碳、氧、氖、鎂、矽、硫、鈣，直到鐵元素……
  • 深度解讀：恆星核聚變到鐵元素就停止了，重元素是如何產生的？
    只不過鎳-62最終也會衰變成鐵元素，所以我們會習慣性地認為鐵元素的比結合能最高！這就類似GDP與平均GDP的關係，GDP再大，如果平均GDP很小也沒有多大實際意義！而鐵的比結合能是最高的，所有鐵元素最穩定。為何恆星核聚變到鐵元素就停止了呢？
  • 恆星核聚變到鐵元素就停止了，那鐵之後的重元素是如何形成的？
    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：元素煉丹爐要了解這個問題，我們首先還是要從「恆星如何製造元素」入手。恆星被認為是宇宙的頂塔，宇宙中的光主要是由恆星發出來的。恆星會發光的原因是恆星的內核會發生核聚變反應，而恆星聚變反應的同時就是在製造原子序數更大的元素，那具體是咋回事呢？恆星的個頭實際上都非常大，質量也很大，就拿太陽系的情況來說，太陽就佔據整個太陽系總質量的99.86%，是地球質量的33萬倍。地球等類地行星在太陽系中都很渺小，幾乎可以忽略不計的存在。
  • 恆星核聚變到鐵就停止了,那比鐵重的元素都是怎麼來的?
    而在形成恆星的過程中，還會有一些邊角碎料，這些邊角碎料最終就會形成行星。因此，此時的恆星就像是一個洋蔥頭一樣。 那為什麼獨獨核聚變反應到了鐵元素原子核呢?
  • 恆星內部的核聚變到鐵元素停止,那麼宇宙中的重元素怎麼來的?
    原子平均核子質量中，鐵的平均核子質量是最低的。意味著鐵-56是最穩定的原子：（1）比鐵小的原子可以發生聚變，同時放出巨大的能量；（2）比鐵大的原子，可以發生裂變，也會放出巨大的能量；（3）但是鐵原子發生融合生成更重的原子時，就會吸收大量的能量；恆星形成與演化理論指出，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，恆星內部的核聚變到鐵為止。
  • 從元素到生命,我們身體每一個原子都是恆星的聚變產物!
    人體中的每種物質都來自於某種元素，這些元素由恆星製造。我們每天必需的食物和日常用品，我們的汽車和手機，我們所見的每樣東西——石頭，植物，動物，海洋中的水，空中流動的風……都來自於遙遠的恆星。每顆恆星都是一座巨大而又長壽的「熔爐」，它們酷熱異常的核心使其中的原子相互碰撞而產生新的元素。到最後，多數恆星會爆炸，它們將元素噴射到宇宙中非常遙遠的地方。
  • 鐵元素是坍縮恆星中產生的最後一種元素，為什麼？
    因為鐵並不是坍縮恆星產生的最後一種元素，而鎳才是。因此在這方面，鎳才是特殊的元素，而不是鐵。因此，核聚變只能通過將較輕的原子熔合成鐵-56或更低質量的原子來釋放能量。超過這一點，核聚變不能釋放能量，因此無法維持自身。
  • 黃金和鐵都在超新星爆發中形成，為什麼鐵那麼多，黃金那麼少？
    最近地球上最不靠譜先生和中東大國扛上了，導致黃金和石油價格飆升，當然對於期貨炒家來說無論漲跌都能賺到，關鍵在於誰能洞察先機！不過無論咋個漲跌，肯定不會有人認為鐵比黃金珍貴，畢竟物以稀為貴嘛，但問題是黃金和鐵都是金屬，為什麼黃金就比鐵珍貴了呢？會有可能會出現黃金比鐵多的可能嘛？
  • 為什麼恆星聚變不能產生原子量比鐵更大的元素?
    宇宙起源於大爆炸，在大爆炸的前3分鐘，構成現在物質元素的基本粒子，如夸克、電子等大量聚合，就像水蒸氣遇冷凝聚成水滴一樣。夸克凝聚成原子核中的中子和質子，質子和中子再冷卻凝聚成氦原子核，從而形成了目前佔可見宇宙絕大部分的物質——氫和氦。而其他重元素是在天體形成過程中由核反應生成的。
  • 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。氦燃燒當恆星內部溫度上升到1億度時，氦元素將發生聚變，生成更重的元素，聚變過程也更加複雜，產物主要以碳和氧為主，還有一些氖元素等等。碳、氖、氧燃燒當恆星內部溫度達到8億度後，碳開始燃燒；達到15億度後，氖開始燃燒，達到18億度後，氧開始燃燒；其產物主要是矽元素，其他還有鈣、硫等等元素。
  • 恆星生成鐵時就會死亡，那鐵以上元素咋形成的？死亡時刻瞬間創造
    ，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。
  • 元素怎麼核聚變的，為什麼最終元素是鐵，恆星真會變成大鐵球嗎？
    恆星聚變的最終元素確實是鐵，但鐵卻不是最終的元素，而恆星呢也會成為一個鐵球，但卻不全是鐵球，要理清這個關係，必須來了解下這個過程。元素的秘密元素是怎麼誕生的？元素與元素之間的真正差異在哪裡？–52 → 鎳–56很多朋友認為只能到鐵，其實大質量恆星內部可以演化到鎳-56，但鎳-56會以β+衰變成為鈷-56，再經過77.3天又衰變為成鐵-56，因此說到鐵元素也沒錯，因為最終還是鐵嘛，不過等到鎳-56產生，恆星的壽命就以分鐘倒計時了，鐵核坍縮，超新星爆發。
  • 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?
    在上世紀，物理學家在研究天文學理論時，遇到了很多瓶頸，比如：宇宙的大爆炸，恆星的演化等等。後來，有一批傑出的原子物理學家加入到相關的研究當中，這些問題才逐漸得以解決。換句換說，宇宙作為大尺度的物理學現象，其實和微觀世界的小尺度現象是統一到一起的。元素周期表中的元素就是和宇宙的演化是緊密地結合在一起的。
  • 為什麼鐵元素會殺死恆星?
    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？
  • 核聚變的最終產物是鐵元素,為什麼恆星的結局卻不是一顆鐵球?
    引言：如果要問宇宙中含量最多元素是什麼，那麼我會告訴你答案一定是氫元素。氫作為元素周期表中第一位的元素，在宇宙中的含量比其他所有的元素都要多得多。在宇宙誕生之後，所有的元素物質都在電磁力以及引力作用下最終形成了現在的宇宙。
  • 核聚變能夠產生鐵元素,為什麼恆星最終結局卻不是變成鐵球?
    引言：上個世紀的核物理學家通過長期的研究和實驗發現核聚變反應是一種產生多於核裂變反應五倍的產能方式，因為它伴隨著基礎元素不斷擴張。核聚變最初從氫元素開始，逐漸向越來越重的方向演化，最終能產生鐵元素。那麼問題來了，為什麼恆星沒有變成鐵球呢？
  • 每個人都由恆星物質組成,恆星如何造出各種元素?
    在這些元素中有些是人體所不可或缺的定量元素，其中包括了鈣、鈉、鉀、鎂、碳、氫、氧等11種，其餘的則是微量元素，而在微量元素之中，又有十多種是必不可少的。既然人體的一切都是由元素所構成的，那麼這些元素又是從何而來的呢？宇宙中絕大多數元素都是由恆星所創造的。而恆星創造元素的過程就是聚變。