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。