恆星核聚變到鐵就停止了,比鐵更重的元素是如何形成的?

2021-01-15 騰訊網

在宇宙剛誕生之後沒多久，各種物質在萬有引力以及電磁力的作用下互相吸引，並逐漸演化成了現在形形色色的天體。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。

宇宙中的元素

1869年，俄羅斯的一位化學家門捷列夫將當時發現的66種元素排列成了著名的元素周期表，還預言了新元素的存在以及其性質。

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。

目前，我們對於新元素的探索主要是從人工合成和自然探索兩個方面進行的，人工合成主要是通過高能中子長期輻照、核爆炸和重離子加速器等現代實驗手段來實現的，此外，還可以從宇宙射線、隕石和衛星石以及天然礦物中發現新元素，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。

比如2014年，日本使用rilac直接加速器加速鋅粒子並撞擊一片鉍箔，從而創造出第113號元素「Unt」，不過這些人工元素有個極大的缺點——壽命極短，就拿113號元素來說，只存在了萬分之三秒，就衰變成了其他元素。

在2016年，科學家們就用人工元素鉲（californium）去撞擊鈣，從而製造出了一個原子核中含有118個質子的新原子。這種元素僅僅存在了1毫秒，但卻是人類製造的最重的元素。

但是元素隨著原子序數的增加，其質子間的斥力也隨之增大，於是高原子序數元素就很不穩定，並且原子序數越高，就越不穩定，這也造成了高原子序數的元素會在很短的時間內衰變。

因此，地球上幾乎不存在92號以上的元素（鈾），而新發現的高原子序數元素（超鈾元素）都是由人工合成的，因此宇宙中的元素類應該是有限的。

輕元素的產生

這就要從宇宙大爆炸說起，按照現在的主流理論，宇宙誕生於奇點的大爆炸，在宇宙形成的早期，氫元素和氦元素就佔據了99%以上，這是宇宙中最早期也是最基礎的元素，同時還是現在元素周期表最靠前的兩個元素。後來在很長的一段時間內，宇宙冷卻，直至第一顆恆星的誕生，並且由於恆星的質量一般都比較大。

而且在特大質量的恆星核心內部觸發的核聚變反應所需要的溫度是非常高的，所以這樣的條件就可以使其外層的溫度正好達到氫核聚變所需的反應條件，而在此時恆星的外層就會開始逐步的發生核聚變反應，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……

所以鐵元素之前的元素就是通過恆星內部發生核聚變才形成的。因此在138.2億年前宇宙的誕生之初，只是有最簡單的元素。

迄今為止，我們宇宙中已知的化學元素共有118個，而宇宙萬物都是由元素所構成的，但恆星的演化卻只能進行到鐵56。

核聚變為什麼到鐵元素？

物質都是由微觀粒子構成的，原子又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，其中「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，在所有的元素中，鐵56的比結合能就是最大的，這就說明了鐵56是最穩定的，不會輕易被分開。

其實我們可以理解成，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。

事實上，如果想要讓鐵元素發生核聚變也並不是不可能，不過需要極為苛刻的條件。上面已經說到了鐵原子核需要非常大的能量才能分開，因此在整個過程輸入大量的能量就可以實現鐵原子核的核聚變，但釋放的能量很少，輸入要遠遠大於輸出，一般在恆星內核中其實很難實現。

重元素的產生

由於在恆星的演化末期，極不穩定的恆星內核中，鐵—56會捕獲中子來形成更重的元素，還有超新星爆發也會形成重元素，那麼我們再來簡單說一下這個形成過程，這個分為兩種情況。

第一是恆星演化末期的慢中子捕獲生成重元素，另一種是超新星爆發時形成重元素，因此鐵元素之後的重元素來源其實主要就依賴於超新星爆發或者是中子星相撞後產生的巨大能量並且會釋放出大量的高能中子，而且這些中子還會被其他元素捕獲，使得元素變為更重的元素，這個過程也被稱為快中子和慢中子捕獲過程。

01、慢中子捕獲形成重元素

慢中子俘獲過程也被稱為S—過程，一般發生在恆星的演化末期，並且是超高溫度內核中，在這個時候中子會被鐵—56俘獲形成鐵—57，然後鐵—57會再釋放一個高能電子，於是就形成了鈷—57，以此類推，鈷繼續通過慢中子的俘獲過程來形成其他更重的元素！

02、快中子捕獲形成重元素

快中子的俘獲過程一般是發生在恆星的超新星爆發階段，也被稱為R-過程。在這個過程中，鐵—56元素主要是進行連續的快中子捕獲來生成重元素，而且快中子捕獲形成的重元素佔恆星形成的重元素一半以上！

不難發現，無論是哪種過程，鐵—56都是最基礎的重元素，而重元素都是以鐵為重元素的中子捕獲過程中二次生成的。

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  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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?
    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。
  • 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？
    大爆炸三分鐘後，溫度降低，質子與質子以及和中子發生了第一次原初聚變，誕生了氫、氦以及微量鋰原子核。二十分鐘時，溫度降低到了遠處核聚變溫度以下，核聚變停止，宇宙中元素比例確定。三十八萬年時，原子核捕獲電子，形成了原子，這就是最初物質的來歷！
  • 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。
  • 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?
    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。那比氦元素原子序數更大的元素是咋來的呢？ 恆星：元素煉丹爐 在宇宙演化過程中，星雲物質在引力坍縮下，逐漸形成了各種天體，其中有一類叫做恆星。恆星區別於其他天體的最大特點就是因為核心核聚變反應而發光。那恆星和元素有什麼關係呢？ 這就要從恆星的核聚變說起了。恆星一般來說質量都特別巨大。
  • 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？
  • 構成我們的物質從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結者?
    一般前期的核聚變對象主要是氫，氫核聚變最後生成氦，但是在恆星的後期隨著氦含量的增高，達到一定程度就會發生氦核的聚變，但是氦聚變生成碳氧元素過程很劇烈，這也就是大劉《流浪地球》中提及到的氦閃。但是當恆星質量較大的時候，核聚變會繼續進行，只要條件滿足就可以進行，因此碳氧元素可以繼續進行核聚變。
  • 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？
  • 恆星核聚變的最終產物是鐵,為何恆星卻不會變成一個大鐵球?
    在宇宙誕生之後，各類天體也都紛紛出現，恆星便是宇宙重要的組成部分之一。根據科學家們研究得知，恆星在誕生之後，主要成分大部分都是氫元素，此後，伴隨著恆星內部被點燃，開始進行核聚變反應，氫元素也伴隨著恆星內部的活動，進行一系列的化學反應。
  • 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？
    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鐵元素停止，發生超新星爆發，核心要麼坍縮為中子星，要麼變為黑洞呢？ 上圖可以看到在鐵元素以前，元素的聚變都會釋放能量，而到了鐵以後會發生了變化，這些元素融合聚變以後就不再釋放能量，反而會吸收能量
  • 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。