核聚變到鐵就停止了,那宇宙裡比鐵要重的元素都是怎麼來的?

2020-12-06 鍾銘聊科學

元素周期表上面的元素,看上去好像都是一個微觀問題。實際上,它們的形成和宇宙的演化,恆星的演化等是分不開的。元素其實有多種來源,接下來,我們就來簡單聊一聊元素周期表上的元素是咋來的,尤其是鐵元素之後的元素是咋來的。

宇宙大爆炸

按照如今最主流的理論,宇宙起源於一次大爆炸。關於這個理論目前有3個堅實的證據分別是:

哈勃發現的星系紅移宇宙微波背景輻射氦原子豐度宇宙中的氫和一部分氦都是在宇宙早期形成的,其中氫就佔到了宇宙總量的70%左右,剩餘的幾乎都是氦。

恆星演化

宇宙大爆炸2億歲左右,宇宙中出現恆星,這類天體一直到今天都是宇宙中的主流。而恆星絕大多數的成分是氫和氦。而恆星的內核一直在發生核聚變反應,促發核聚變的是恆星自身的引力,使得核心的溫度以及壓強升高,在弱力的作用下,氫原子核發生核聚變,產生氦原子核。這個過程主要有兩條路徑分別叫做質子-質子反應鏈和碳氮氧循環。

當氫燒得差不多後,如果引力足夠大,還能夠繼續引發氦的核聚變,生成碳原子核和氧原子核。

同樣的,如果引力還足夠大,那還能繼續引發核聚變反應。尤其是10倍太陽質量的特大恆星,它的核心核反應可以一直反應到生成鐵,而由於內核的溫度太高,使得整個恆星外圍也在發生核聚變,而且每層都不一樣,就像洋蔥。

(這裡補充一點,實際上這類恆星內核的最中心部位還是可以產生一點原子序數大於鐵的原子核,比如:鋅原子核。)

可能很多人就有疑問了,為什麼是到鐵原子核?

這是因為從原子核的層面來看,鐵原子核是最穩定的,我們也叫做比結合能最大。

因此,原子序數在鐵元素之前的元素原子核都有聚變的傾向,意思是發生核聚變可以產生大量的能量;

而原子序數小於鐵元素的元素原子核有裂變的傾向,意思是發生核裂變可以產生大量的能量。

而鐵是很奇葩的,鐵原子核的核聚變反應所需要的能量是要比反應後產生的能量要多,也就是說這個過程是入不敷出的,是賠本的買賣。因此,讓鐵原子核發生核聚變是最難的。

但是難,並不意味著不能發生,只要引力足夠大,還是可以促發鐵的核聚變反應。這時候,恆星內核的光子會擊穿原子核,釋放出大量的中子和質子,質子和電子發生反應生成中子和中微子,內核在引力的作用下,最終成為一顆中子星。(當然,也可能產生黑洞。)

超新星爆炸和中子星合併

在這個過程中,同時還會伴隨著超新星爆炸。而超新星爆炸的過程就會產生很多原子序數比鐵元素高的原子。

但是,一些原子序數更高的,更穩定的元素,比如:金或者銀。它們只有很少的一部分是來自於超新星爆炸,更多的是來自於中子星的合併。

我們要知道,超新星爆炸本身就不是很常發生,中子星的合併事件就更少了。所以,像金這種元素才會如此貴重,畢竟物以稀為貴。同時也意味著曾經在太陽系附近出現過中子星,甚至是發生中子星合併的事件。

以上就是元素周期表上的元素的主要來源,我們最後來簡單總結一下,氫和氦是在宇宙大爆炸早期形成的;鐵元素之前的大多數元素主要就是這麼形成的;而鐵之後的元素主要依靠的是超新星爆炸以及中子星合併。

這個情況同樣適用於地球,人體內的氫就是宇宙誕生之初就形成的,也就是說,你的年齡和你體內氫原子的年紀比起來完全可以忽略不計,因為它已經138億歲了。而人體內的其他元素基本上都是在恆星演化和超新星爆炸中形成。因此,它們的年齡至少也要大於太陽系的年齡,也就是說,它們至少有45億歲了。

相關焦點

  • 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。
  • 恆星核聚變到鐵就停止了,那比鐵重的元素都是怎麼來的?
    恆星的核聚變 按照如今的主流理論,宇宙起源於一次大爆炸。大爆炸之後,早期的宇宙逐漸形成各類粒子,最終在38萬年後,溫度降低到3000度左右,原子結構得以形成。這也奠定了宇宙的已知物質的基本成分,主要是氫原子和氦原子,兩者佔到了99%以上,而氫原子達到了70%以上。
  • 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,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。,而且現在我們已經可以在實驗室裡通過核碰撞創造出新的元素。
  • 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。
  • 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?
    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。
  • 為什麼宇宙中恆星的核聚變進行到鐵元素時就都停止了?
    核反應可以分為兩大類: 一類是較輕的原子核聚合成較重的原子核並釋放能量,另一類則是由較重的原子核分裂成較輕的原子核並釋放能量。這裡有個問題: 既然輕原子可以合成重原子並釋放能量,而重原子又能分裂成輕原子並釋放能量,那豈不是可以循環釋放能量,變成永動機機了?其實並不是這樣,輕原子與重原子是以元素周期表為範圍,分布在元素周期表的兩側,並不重疊的。
  • 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?
    現在氫元素有了,那么元素周期表中其他比氫和氦重的元素是怎麼來的?恆星:宇宙重元素的加工廠 中性原子誕生以後,宇宙充滿了以氫為主要成分的氣體雲,這些物質的分布從嚴格意義上來說並不是均勻的,而且在大小尺度上都存在及其微小的密度波動,這一點我們可以在微波背景輻射中發現。這些物質密度為微小不均勻就為更大的物質團塊的誕生提供了基礎。
  • 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。
  • 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。
  • 為什麼有人說核聚變到產生鐵元素時就停止了?
    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,那元素周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,關於元素周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。
  • 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?
    對於元素的由來十萬個為什麼中的源頭,因為世界萬物都源自與物質,而物質組成則是各種元素,本文來粗淺的探討下元素的由來,從頭到尾解決一下各位的疑問!本文將從區別元素的標準以及各個階段都能誕生的元素和誕生的過程等三個角度來探討。
  • 氫核聚變結束之後,是否意味著核聚變就會停止呢?
    主要跟它們的形成機制完全不同於其它元素有關。其它的元素形成機制基本都跟恆星有關,我們都知道,恆星是宇宙中非常普遍的一種天體,它們內部時刻進行著核聚變,給黑暗寒冷的宇宙帶來了些許光明和溫暖。當宇宙早期形成了大量的氫和氦之後,這些氫和氦的凝聚也開始形成恆星。而恆星的誕生徹底改變了宇宙的演化。我們都知道,恆星基本是由氫元素組成的,而恆星內部的核聚變也可以不斷將氫聚變成氦。
  • 構成我們的物質從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結者?
    ,那就是動態宇宙模型。為了消除這樣的影響,愛因斯坦在自己的方程中加入了宇宙學常數,讓宇宙重歸穩定。但是後來哈勃橫空出世,通過望遠鏡觀測到了宇宙紅移現象,這意味著這些星系都在遠離我們不斷的退行。愛因斯坦知道後來到哈勃工作的天文臺親自查看,最後又把宇宙學常數給去掉了,因為宇宙是在膨脹的。
  • 你從哪裡來,宇宙重元素
    「氫氦鋰鈹硼,碳氮氧氟氖,鈉鎂鋁矽磷……」對於大多數人而言,化學「元素周期表」肯定不陌生。然而,宇宙中除了氫和氦之外,其他重元素是如何形成的卻還是一個未解之謎。  目前科學界普遍認為,一些重元素由氫與氦通過恆星內部核聚變反應產生。而恆星爆發成為超新星之後,又形成了另外一些重元素。
  • 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?
    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?
  • 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?
  • 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
    為什麼核聚變到產生鐵元素時就停止了?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?
  • 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。