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?

2021-01-19 優美生態環境保衛者

這個問題涉及到了對宇宙的起源、發展演化、物質循環的系統性認知。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?

宇宙大爆炸-所有物質的起源

其實在人類剛開始探測宇宙的奧秘時,並沒有意識到我們的宇宙到底從何而來,直到科學家們相繼觀測到宇宙微波背景輻射時,應用現有理論體系根本無法進行合理解釋。後來,隨著哈勃利用天文望遠鏡長期觀測到目標星體與地球的距離在逐漸遠離,距離越遠的星系紅移現象越明顯,科學界才逐漸形成了宇宙逐漸膨脹的事實,然後以現在的時間點進行倒推,提出了現在的宇宙來源於最初質量無限大、體積無限小、能量無窮高的奇點大爆炸假說。

大約138億年前,在奇點大爆炸的瞬間,隨著巨大能量的釋放,宇宙空間呈現大暴漲,以指數級體積增長的方式奠定了原始宇宙的基礎。在大暴漲之後,能量在真空環境下發生衰變,逐漸產生質子、中子、電子、夸克等所有基本粒子。幾十萬年之後,通過真空衰變的長時間醞釀,質子和中子才慢慢地結合形成原子核,然後又過了幾十萬年,這些原子核和電子才進行了結合,從而誕生了宇宙中第一批中性原子,其中佔比最高的為氫、其次為氦,氫的比例可以達到90%以上,從而為宇宙中星體的誕生創造了最基本的條件。

恆星核聚變-接納大爆炸後產生的物質並且創造新物質

根據科學家推測,在宇宙奇點大爆炸之後的幾億年時間裡,星際空間中充斥著的物質主要是氫和氦等質量非常輕的氣體,宇宙中沒有一點光明。隨後,在星際氣體相互之間引力的作用下,這些氣體開始抱團,有些規模較大的氣團又相互聚合,形成原始星雲團。

這些星雲團與星雲團之間開始發生了比較明顯的引力擾動現象,促使一部分區域形成氣體密度更大的空間,從而可以吸聚更多的星際氣體,而且吸聚的速度越來越快,在氣體相互撞擊和引力壓縮的影響下,形成了溫度逐漸上升的核心區,恆星的「胚胎」逐漸登上了歷史舞臺,因此宇宙中最原始的一批恆星,是誕生於宇宙大爆炸之後5-6億年左右的。

當核心區積聚的物質規模達到一定程度,使得核心區溫度上升到700-1000萬攝氏度時,就會觸發之前吸聚大量氫元素的核聚變臨界點,核心區就會開啟氫元素的核聚變進程,從而拉開了恆星的序幕。之後,通過4個氫原子核聚變形成1個氦原子核、同時釋放若干光子和相應能量的鏈式反應,恆星內部持續進行著氫元素的消耗,而向外源源不斷地釋放著光子和能量。

維持恆星內部核聚變進程的主要因素在於內核的溫度,溫度的維持依賴著參與核聚變物質的不斷輸入,而恆星內核在核聚變的過程中,會向外產生一定的輻射壓,這個輻射壓在一定程度上阻止了恆星繼續從外界吸收星際氣體的能力,所以恆星的核聚變能夠進行到什麼程度,取決於在發生聚變前的原始質量。在聚變過程中,隨著氫元素的不斷消耗,內部溫度逐步下降,向外的輻射壓不足以支撐重力作用引發坍縮,而在坍縮過程中,恆星外層原來沒有參與核聚變的氫元素,補充進內核,從而又提升了內核的溫度和壓力,確保恆星內聚變的持續。可見,恆星之所以能夠維持相對穩定的形態,與輻射壓和重力相互之間的博弈有直接關係。

然而,當恆星質量較小時,在反覆的坍縮之後,外層也沒有多作的氫元素了,恆星內部的溫度就會逐漸降低,恆星的核聚變就會慢慢終止,此時恆星核聚變的產物就以氦為主,慢慢過渡到紅矮星行列。當恆星的質量較大時,可以維持內部核聚變溫度條件的物質基礎就比較雄厚,可以滿足支撐到氦到碳、碳到氧等等後續的核聚變條件。也就是說,不同質量的恆星,其最終核聚變的產生不盡相同,於是就相應地在產生氦、碳、氧、氖、鎂、矽、磷、硫、鐵之後完成恆星主序期的使命。

而一旦聚變形成鐵元素,因為其比結合能在所有元素中是最高的,其發生核聚變所釋放的能量要低於需要輸入的能量,無論恆星質量多大,都不能再引發後續的核聚變,聚變也到達了終點。

超新星爆發-推動更重元素的產生

當恆星在完成所有的核聚變之後,如果殘餘的質量仍大於錢德拉塞卡極限(1.44倍太陽質量),則恆星外殼的引力將會超過簡併壓,恆星發生劇烈收縮,使得內部某些區域的溫度和壓力迅速升高,電子簡併氣體中電子會被原子核俘獲,引發電子俘獲反應,進一步減小簡併壓,使得坍縮更為加劇。

另一方面,電子俘獲反應相應釋放一定量的伽馬射線(光子),使得區域溫度迅速升高,達到重新啟動核聚變的條件,不過這個核聚變是處於失控狀態的,會在局部區域產生高能量的激波向外層反彈,從而將恆星的部分組成物質從內向外與恆星本體剝離,引發超新星爆發,根據激波能量的大小,這種爆發持續的時間有長有短,也有可能短時間內就將恆星炸毀。

由於超新星爆發時溫度超高,可以達到1000多億攝氏度,所激發的超高能量可以釋放大量的高能中子,這些高能中子如果與其它同時被釋放的其它元素相結合,就會在高溫環境下形成比鐵元素更重的其它元素。

總結一下

通過恆星的這種從吸聚物質、核聚變、釋放聚變物質、合成新物質的周期性變化過程,從而形成了目前宇宙中豐富多彩的元素,而這些元素又作為其它恆星、行星、衛星以及星際塵埃的重要組成部分。因此,構成地球以及我們人體的所有物質,其元素來源即可以追溯到最初的宇宙大爆炸,也來源於這一區域上一任恆星的發展演化以及超新星的爆發,同時也是太陽系形成過程中對這些物質的吸聚和重組的過程。

相關焦點

  • 構成我們的物質從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結者?
    這個話題還是非常值得討論一下的,世間萬物包括地球上的動植物、微生物等生命體,巖石礦物、大氣層、水等非生命體,以及仰望星空看到的繁星、星系,等等這一切都源頭都是138.2億年前的那個奇點,經過漫長時間的演化,最終形成了各種各樣的物種,或者說不同的元素構成不同的物質。那麼本質出來了,只要去尋找元素從哪裡來就可以了。
  • 地球本身不能進行核聚變,那麼如此豐富的元素是從何而來的?
    我們所在的地球,是由92種常見元素所構成,另外加上26種短時間內可以存在的放射性以及人工合成元素,將有118種元素,正是這些元素,共同構成了我們地球現在的巖石圈、水圈、大氣圈,同時也支撐著生物圈中各種動物和植物的存在。
  • 我們從何而來?每個人都由恆星物質組成,恆星如何造出各種元素?
    人生在世,我們總會有所疑問,我們是從何而來的?是什麼組成了我們的身體、大腦以及神經血液?其實,從物質構成上來講,我們的身體、大腦以及神經血液和地球上其它千千萬萬種物質一樣都是由各種元素所構成的。是的,就是我們在元素周期表上 所見到的那些元素。
  • 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……
  • 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。而按照目前理論預言的情況來看,成為一顆恆星的門檻至少是太陽質量的8%以上。
  • 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。
  • 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。
  • 為什麼恆星聚變不能產生原子量比鐵更大的元素?
    氫元素的質量佔我們可見宇宙總質量的約73%,其次是氦元素,佔25%,其他元素總共也不超過2%。 發生由輕元素合成重元素的核反應需要高密度的物質和能量聚集,這個過程的實現需要氫元素和氦元素相互吸引。這是一個漫長的演化過程。當氫元素和氦元素聚集到一定程度後,就形成了恆星的雛形。這些早期恆星內部物質密度高、能量密度大,滿足發生核反應的條件,從而形成了更重的元素。
  • 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。
  • 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?
    仰望天空,宇宙中充滿了大大小小的物質結構,布滿了無數的恆星、星系、星系團;環顧四周,在我們身邊可以看到各種各樣的物質形式,有空氣、有水、有高樓大廈、有汽車、有各種生物等等,看到這樣一個紛繁的世界,我們難免不去想這些物質是怎麼來的?追其根本,物質的起源其實就是宇宙的起源,因為我們地球也只不過是宇宙中的一顆普普通通的由物質構成的星球。
  • 太陽是什麼物質組成的?為什麼會自發產生核聚變反應呢?
    構成太陽的物質並不特殊,佔太陽總質量大約98.2%是氫元素和氦元素(其中以氫元素為主,佔71%左右),而剩下的不到2%的質量,是由氧、碳、鐵、氖、氮、矽、鎂等等元素組成。並且太陽上的物質形態幾乎都是以等離子態出現,這是一種區別於常見的固液氣三態之外的另一態,在宇宙中廣泛存在。而太陽的能量來源,題目中已經提到,是核聚變,那麼這個核聚變又是為何而起呢?為什麼地球、火星、木星等等八星行星不會自發啟動核聚變呢?
  • 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?
  • 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。比如我們太陽就處於這個階段,該階段也稱作P-P鏈反應,此時其他核聚變反應途徑也在進行,但是以氫元素的聚變為主,氫元素的燃燒非常緩慢,比如我們的太陽將持續100億年氫元素為主的核聚變過程
  • 化學元素周期表中的元素從何而來?
    ,還會繼續不斷地促發新元素的核聚變反應——碳原子核聚變,然後是氧核聚變,氖核聚變,鈉核聚變……整個核聚變反應最終只能到生成鐵。,甚至整個恆星也開始發生核聚變反應,而每一層是不同元素原子核的核聚變反應,越是容易發生核聚變的輕元素越是在外層,如下圖所示洋蔥一般的分布。
  • 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。
  • 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。
  • 宇宙中的各種元素到底從何而來,又是怎麼產生的呢?
    宇宙中的萬物,都是由各種元素通過無比精巧的組合而構成的,那麼,宇宙中的各種元素到底從何而來,又是怎麼產生的呢?今天我們就來講一下,宇宙中各元素的前世今生。宇宙中所有的元素都是由質子、中子以及電子等基本粒子構成,其中原子核內質子的數量決定了元素的種類,例如原子核內只有一個質子,它就是氫,有兩個質子,它就是氦,其他更重的元素以此類推,具體可參見元素周期表。
  • 《流浪地球》中的重元素核聚變技術是什麼?現實中能夠實現嗎?
    可能很多人不理解:核聚變使用石頭當燃料?石頭真的可以當燃料產生能量嗎?在我們的常識裡,核聚變不是應用使用氫這種燃料嗎?怎麼電影中是使用石頭?這是怎麼回事?原來電影《流浪地球》中的這種核聚變技術不是我們認為的氫核聚變,而是重元素核聚變。可能很多人都沒有聽說過這種重元素核聚變。