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?

2020-12-04 想法捕手

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。

而其他所有的元素都是靠恆星這個元素加工廠以氫氦為原料合成的。而要能成為一顆恆星的條件就是可以在核心產生氫聚變的熱核反應。一旦這個熱核反應啟動了,一顆冉冉升起的恆星也就誕生了。由於氦原子核有兩個質子、兩個中子,非常穩定,所以後面所有元素的合成基本上都是以氦原子核為單位進行聚合的。三個氦原子核就能夠聚合成一個碳原子核,四個氦原子核則聚合成為一個氧原子核,五個能聚合成氖原子核,六個是鎂,七個是矽,八個是硫,以此類推。

當然,在幾十億度的高溫中,一對擁有28個質子和中子的矽原子核,也可以直接聚變成一個有56個質子和中子的鐵原子核。

而鐵元素作為宇宙中最穩定的元素,比結合能最高。因此鐵元素及之後元素的聚變將不會再產生能量,只會吸收能量。於是恆星的內部再也無法抵抗外部巨大的引力。在巨大的引力下,恆星內部的自由電子被強行壓進鐵原子核中與質子結合。電子與質子所攜帶的等量相反電荷彼此抵消,恆星內部就變成了一個碩大無比的由中子組成的原子核。由於原子與原子核所佔據空間的巨大差異,使得內核空間突然變小了很多,引發猛烈的內爆,然後向外反彈形成超新星爆發。

一顆超新星的亮度可以超過其所在星系全部恆星亮度的總和。巨大的能量瞬間就把鐵以後所有的自然元素聚變出來。而鈾以後的元素不是自然形成的,而是人工合成的,而且絕大多數都會迅速的分裂。

而返還回星際空間的重元素,因為重,極易成為下一代天體的核心,隨著再一次的星雲坍塌,形成新的恆星以及行星,以及生命。我們DNA中的氮元素、骨骼中的鈣元素、血液中的鐵元素以及細胞中的碳元素,都是在坍縮恆星的內部形成的。所以說,人類渺小如塵,一點不為過,因為我們本來源於星塵。

地球這片星空曾經絢爛無比。

根據如今地球上金元素和鈾元素的豐度,我們可以推測在太陽系形成之前,這一片星空中曾經發生過超新星爆發。而生命的起源與演化與太陽系的起源有著密切的聯繫。

第一,之所以我們判斷構成生命的元素全部來源於恆星,是因為目前宇宙中所發現的各種化學元素的相對豐度與恆星內產生的原子相對數目完全吻合。

第二,地球上存在如此多的重金屬原子。意味著在太陽系形成前不久,這裡發生過巨大的超新星爆發,爆炸的衝擊波壓縮了附近的星際氣體和塵埃。觸發了太陽系星雲的收縮。才鑄就了如今的太陽與八大行星。

第三,當太陽作為一顆恆星成型時,地球大氣被大量的紫外線輻射加熱,形成了閃電。這些原始的能量喚醒了成為生命起源的有機分子。

第四,地球上所有的生命能源都來源於太陽光。植物只不過是作為儲藏太陽光能的一個載體而已。農業也只是利用植物作為媒介,有系統地收集陽光。

最後,生物進化可能也與陽光有關。比如,遺傳突變為自然選擇提供了原材料。而突變部分是由宇宙射線造成的,即超新星爆發時噴射出以光速運動的高能粒子。也就是說,地球上生命演化的部分原因來源於那些遙遠的大質量恆星死亡時的餘暉。

總結

所有的元素,都是由一個一個氫原子拼合而成的。恆星先在引力的壓迫下,幹著體力活,一點一點地生產鐵以前的元素,最後實在幹不動了,鐵了心來一場大爆發,把一輩子的活都幹完了。

說它光榮下崗也好,光榮就義也罷,反正就沒它什麼事了。

專業名詞解讀

比結合能意為平均結合能。

結合能不是元素原子核擁有的能量,是要拆開(裂變)或組合(聚變)原子核時需要吸收或釋放的能量。原子核裡核子數(質子與中子都是核子)越多,結合能越高。

而比結合能=結合能÷核子數,也叫平均結合能。結合能與比結合能之間的關係,相當於GDP與平均GDP之間的關係。

就像GDP再牛也沒什麼意義,主要得看平均GDP一樣,所以核聚變的重點是看比結合能而不是結合能。

鐵的比結合能最高,意味著鐵是最穩定的元素。

由於鐵元素最穩定,所以如果還要往鐵原子核裡面擠核子(聚變)就會變得很困難,所以要消耗大量的能量。

上圖是元素比結合能曲線圖(很多引用說成結合能是錯誤的,一字之差完全不一樣)。從這個圖你還可以知道為什麼氫彈(氫聚變)比原子彈(鈾裂變)威力大。

其實還可以通過愛因斯坦的質能方程:E=MC,來解釋鐵之後聚變為什麼會吸收能量。鐵之前的元素都屬於輕元素,其聚變會損失質量,所以釋放能量,而鐵之後的元素屬於重元素,聚變會增加質量,所以會吸收能量。

宇宙射線,也叫宇宙線。

是來自外太空的帶電高能亞原子粒子。大約89%的宇宙線都是質子(氫原子核),10%是α粒子(氦原子核),還有1%屬於重元素核,這些原子核構成宇宙線的99%。剩下的極小一部主要為γ射線和超高能中微子,但也會有非常少比例的穩定反物質粒子。

根據粒子能量的多樣化研究,顯示宇宙射線的來源廣泛。這些粒子可能來源於恆星,或來自遙遠可視宇宙深處的一些還未知的物理機制產物。宇宙射線的能量可達到10^20eV,遠超過地球上的粒子加速器可達到的10^12至10^13 eV。

相關焦點

  • 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。
  • 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。,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。
  • 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?
    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。
  • 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。
  • 為什麼有人說核聚變到產生鐵元素時就停止了?
    宇宙誕生之初,主要的元素就是氫和氦,這兩個元素是元素周期表最靠前的兩個元素。並不是說,在那個時候沒有形成原子序數更高的元素,只是因為那些元素還不夠穩定,因此,又裂變為氦原子核了。我們從元素周期表中也能看出,原子核比氫原子核和氦原子核大的元素原子核多了去了,現在的元素周期表都已經可以排到110多位,而且還沒有達到盡頭。
  • 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。
  • 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。
  • 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?
    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!
  • 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。
  • 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。 宇宙大爆炸的一秒鐘之內統一場開始分解為強力、電弱力和引力,質子、中子和中微子開始形成,隨著時間的推移質子和中子的比重開始下降,正負電子湮滅反應出現,在極高溫的反應下核聚變開始進行,生成氫、氦以及極少量的鋰,當然還有其它重元素,但是宇宙大爆炸之處主要的元素還是氫和氦。
  • 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?
  • 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?
  • 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?
    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。
  • 《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?
    對此,《流浪地球》中也進行了解釋,這些行星發動機都是應用了核聚變,使用的燃料就是地球上非常常見的石頭,只有這種常見的容易處理的石頭才能夠滿足上萬座行星發動機的需求。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?