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。

那具體是咋回事呢？我們就來聊一聊這個問題。

氫、氦與宇宙大爆炸

按照目前的主流理論，我們知道，宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸的初期，宇宙的溫度極其高。

隨著宇宙空間的劇烈膨脹，溫度逐漸地下降。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。

並不是說形成不了原子序數更大的元素原子，只是因為它們不夠穩定，很多又裂變成氦原子。因此，在我們現在這個宇宙中，氫原子和氦原子的佔比是最高的，達到了99%以上。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。就拿太陽來說，太陽的質量佔據了整個太陽系99.86%以上的質量。

質量越大，引力就越大。恆星會因為自身引力巨大，導致內核的溫度在引力作用下急劇升高。還拿太陽來說，太陽的內核溫度就可以達到1500萬度。在這樣的溫度下，太陽內核物質就不是我們常見的氣液固三態了。

這是因為溫度過高，導致原子核的電子能夠在環境中獲取到足夠多的能量。於是，電子就會擺脫原子核的束縛。因此，在太陽的內核中，物質是呈現等離子態，在其中有許多原子核、電子、光子攪在一起。

這裡的原子核主要是氫原子核和氦原子核，氫原子核說白了就是質子。在這樣的環境下，原子核由於都是帶正電的，因為同種電荷相排斥，因此，原子核照理說是沒有辦法發生核聚變的。

或者我們可以說，想要讓原子核發生核聚變反應是需要輸入足夠多的反應能量。在地球上，人類要引爆一顆氫彈，就需要製造一個高達一億度的環境溫度來給氫核聚變提供反應條件，比如：引爆氫彈之前會先引爆一顆原子彈。

照理說，太陽內核的環境條件是不足以促發核聚變反應的。但是在微觀世界中，存在著一個「量子隧穿效應」。它的意思是說，即便是需要輸入能量才能發生的反應，在微觀世界中也有極其低的概率會發生。由於太陽十分巨大，粒子數足夠多。因此，再低的概率，乘以太陽的粒子數，也是一個大概率發生的事件，只是速度會非常慢。因此，氫核聚變反應是可以發生的，但不會像氫彈那樣一下子全炸了。反應過程就是4個氫原子核產生一個氦原子核。（這裡補充一點，促發氦原子核聚變的反應條件要比氫原子核聚變苛刻得多，因此，先促發是氫原子核的核聚變反應。）在恆星當中，一般來說有兩條反應路徑，分別叫做質子-質子反應，碳氮氧循環。不過，結果都是一樣的，都是4個氫原子核產生1個氦原子核。

如果恆星內核的氫原子核燒完之後會如何呢？

恆星會在引力的作用下，繼續收縮，提升內核溫度。如果恆星的質量足夠大，就會促發氦原子核的核聚變反應，生成的就是碳原子核和氧原子核。

如果氦也燒完了，那就會繼續燒碳原子核和氧原子核，生成原子序數更高的原子。比如：燃燒碳原子核會生成氧原子核，氧原子核燃燒會生成氖原子核，然後是鎂原子核。

一般來說，只要是恆星的質量足夠大，核聚變反應就可以一直到鐵原子核。鐵原子核是一個裡程碑。為什麼這麼說呢？

超新星爆炸

鐵原子核是最穩定的原子核，科學家管這個叫做比結合能最高的元素原子核。意思是說，無論是你要掰開鐵原子核，還是繼續聚合鐵原子核都非常難。

在生成鐵原子核之前，核聚變反應都是釋放出大量能量。可要讓鐵原子核發生核聚變反應，就需要提供大量的能量，而產生的能量會少於提供的能量，所以是一個吸能反應。因此，恆星還要進入到下一個演化階段就需要一個極其高的門檻。科學家通過理論計算就發現，質量要達到太陽質量8倍以上的恆星才能繼續促發下一步的反應。（實際上，目前到底是幾倍太陽質量也沒有絕對的定論，也有說9倍或者10倍以上的。）

如果恆星的質量真的超過了這個門檻，那接下來，恆星就會在引力的作用下進入下一個階段，也就是超新星爆炸。超新星爆炸的亮度常常堪比一個星系的亮度，在中國古代，也把超新星稱之為客星。

超新星爆炸的過程中，就會產生許多原子序數比鐵元素更高的元素。這裡多說一句，其實在恆星發生超新星爆炸之前，恆星的內核最中心的部位其實也會合成少量的比鐵元素原子序數高的元素，比如：鋅。只不過，這個量非常非常少，幾乎可以忽略不計。

那原子序數比鐵元素高的元素都是來自於超新星爆炸嗎？

中子合併

實際上，並非如此。恆星在超新星爆炸之後，內核會在引力的作用下劇烈的收縮。如果這個時候內核的質量大於1.44倍太陽質量，小於3倍太陽質量，就會形成中子星。如果這時內核的質量大於3倍太陽質量，就會形成黑洞。

科學家最近發現，原子序數比鐵元素更高的元素更多來自於兩個中子星的合併。像銀元素和金元素絕大部分就來自於中子星的合併。

不過，宇宙中的中子星並不多，更不要說兩個中子星相遇並合併，發生這樣事件的概率其實十分小。因此，高順位的元素來之不易，並且含量極其低。

總結

說了這麼多，我們來總結下：

宇宙大爆炸後38萬年，宇宙中合成氫元素和氦元素；

恆星核聚變可以產生氦元素到鐵元素之間的各種元素；

比鐵元素原子序數更高順位的元素主要來自於超新星爆炸和中子星合併。

除了以上三種合成方式，其實還有一些其他的合成元素方式，只是並不常見，比如：宇宙射線裂變。在這裡就不贅述了。

根據上述的內容，我們很容易發現，我們身體中的元素都要比我們自身的年紀大得多。我們體內的氫元素是來自於138億年前的宇宙大爆炸。我們體內的其他元素都要比地球的年紀大，至少有46億年的歷史。而許多金銀首飾都曾經是恆星的核心。