氫核聚變結束之後,是否意味著核聚變就會停止呢?

2020-08-28 時尚獵人記

相信每一個朋友都知道元素周期表,在這個表上有118種元素,它們是組成這個物質世界,物質宇宙的核心。我們都知道,世界萬物,宇宙萬物都是由物質構成,而構成物質的就是這些基本元素。即使是生命也是由各種元素構成的,而人體更是由多達60多種元素構成。

那麼這118種元素是如何誕生的?要揭開這個謎團,我們還需要從宇宙大爆炸的那一刻說起。根據現代科學理論,宇宙起源於138億年前的奇點爆炸,我們可以將這個奇點看成是一個無限能量的集合。當大爆炸發生的瞬間,奇點中的能量被釋放出來,於是元素的誕生也就開始了。

通過元素周期表,我們可以看出,氫排在第一名,而氦排在第二名,其它的元素按照輕重依次排序。這個排名可不是隨便排的,都是經過科學的研究和探索,而越是靠前的元素,它們誕生的時間往往越早。比如氫和氦排在第一和第二,所以是最早誕生的元素,在宇宙中的含量也最多。

宇宙大爆炸之後的很短時間內,是沒有任何元素存在的,那個時候只有由夸克、輕子、光子、膠子和反物質粒子組成的早期宇宙。這些粒子合成了第一批原子核,持續時間只有十幾分鐘,短短的十幾分鐘卻奠定了宇宙的物質基礎。

宇宙大爆炸之後最先形成的是氫元素,然後是氦元素,原因就是這兩種元素的結構簡單,在強大能量的作用下更容易形成。所以它們也佔據了宇宙所有元素含量的99%以上,其中75%是氫,接近25%是氦。其它的那些元素基本都是在這兩個元素的基礎上形成的。

只不過在這118種元素中,有三種元素非常特別,它們的形成機制跟其它的元素完全不同,這三種元素就是3號元素鋰、4號元素鈹和5號元素硼。可能有人會說了,這三種元素排名如此靠前,那在宇宙中應該是最容易形成的,含量應該也比後面的其它元素要高很多。

可真實的結果卻完全不是如此,這三種元素在宇宙中是非常罕見的,為什麼會這樣呢?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。這就是氫氦聚變,我們的太陽現在就進行著這樣的聚變轉化過程。

對於氫元素來說,核聚變反應能夠讓它們轉化為氦,可是對於鋰元素來說,這種極高的溫度足以使它們爆炸,所以鋰元素無法通過核聚變反應形成,其它的四號元素和五號元素也是如此。

當恆星內部通過核聚變將氫元素全部轉變為氦元素之後,氫核聚變就會停止,這個時候恆星內部的輻射壓力降低,無法對抗引力坍縮,使得核心區域會不斷收縮。在此期間,恆星內部的溫度將會進一步升高。那麼氫核聚變結束之後,是否意味著核聚變就會停止呢?當然不是。

當恆星的氫元素全部轉化為氦元素之後,另一種核聚變反應就開始了,這個時候氦元素又會聚變為6號元素碳以及後面的幾種元素。由於恆星內部的聚變能量有限,所以靠核聚變已經很難產生更重的元素,那么元素周期表上的那些重元素是如何來的?

不要著急,恆星內部的核聚變結束之後,它的生命也走到了盡頭,這個時候根據恆星質量的不同,又會有三種演化,對於中低質量恆星,一旦氦聚變完全結束,它們的外層就會脫離,形成行星狀星雲,而核心則會坍縮成白矮星。

而大質量的恆星,它們核心還能進一步坍縮和升溫,從而啟動碳核聚變。碳會聚變成氧,氧聚變成氖,氖又聚變成鎂,不停地合成下去,矽、硫、氬、鈣、鈦和鉻等元素會相繼產生,一直到鐵、鎳和鈷。鐵核聚變會吸收能量,導致大質量恆星的平衡被打破,它們將會發生猛烈的超新星爆發。

在超新星爆發的過程中,還會進一步合成出比鐵更重的元素。另外,白矮星和白矮星合併或中子星和中子星合併也會製造出重元素。以上這些就是各種重元素的形成誕生過程,它們都跟恆星有著密切的關係,由此可見,恆星在宇宙的地位有多麼的重要,科學家稱恆星為宇宙元素冶煉工廠。

相信細心的朋友也會發現,以上這些跟恆星有關的元素轉化過程並沒有第三號元素,第四號元素和第五號元素。沒錯,這三種元素前面我們已經說了,它們的形成機制跟其它元素是完全不同的,所以導致它們在宇宙中非常稀有。

那麼這三種元素又是如何形成的?其中鋰元素在宇宙大爆炸之後十幾分鐘內,在形成氫和氦的過程中,也同樣形成了大約0.0000001%的鋰,可見鋰元素其實早在恆星誕生之前已經存在了。

既然這三種元素不是通過恆星的演化形成的,那麼它們是怎麼來?根據目前的推測,這三種元素的存在要歸功於宇宙中最高能的粒子來源,比如脈衝星、超大質量黑洞、超新星等。我們都知道,這些可都是宇宙中天然存在的超級粒子加速器。

它們會向整個星系的各個方向噴射宇宙粒子,這些粒子甚至有足夠的能量來跨越浩瀚的星系際空間。宇宙粒子加速器發射出去的高能粒子朝著四面八方運動,它們有可能會與其他粒子發生碰撞。如果被撞擊的粒子是碳或者更重的原子核,那麼,碰撞產生的巨大能量將會引發另一個核反應。

當高能粒子撞擊重原子核時,巨大的原子核會分裂成各種各樣的粒子。這種過程被稱為散裂,它是鋰、鈹和硼的主要形成來源。鋰、鈹和硼是宇宙中僅有主要依靠散裂過程形成的元素,它們不像其他重元素那樣依賴於與恆星有關的過程。

由於鋰、鈹和硼的產生依賴於高能粒子在宇宙中的偶然碰撞,所以它們在宇宙中非常稀有。而這三種元素可是地球生命不可或缺的元素,雖然我們現在還沒有發現任何的地外生命,但是科學家猜測,宇宙生命誕生的機制有一定的共同,地球生命離不開這種元素,那麼其它的外星生命可能也離不開它們,尤其是像人類一樣的智慧生命。

事實上,元素周表上的大部分重元素在宇宙中都是非常稀有的存在,而生命的誕生和進化演化離不開這些重元素,人類的身體有60多種元素構成,相信高等級的外星智慧生命身體所需要的元素也是非常多的。再加上鋰、鈹和硼在宇宙中稀缺性,我們可以預知,生命在宇宙中可能非常稀有,尤其是智慧生命在宇宙中可能更是少到極致。

正是由於生命在宇宙中非常稀有,所以我們才很難發現外星生命。有可能在浩瀚的銀河系中,只有人類這一個文明也不是沒有可能,甚至有一些極端的科學家猜測,我們的宇宙有可能只有人類這一個智慧文明。

我們對宇宙的認知越多,越會感到人類有可能真的非常孤獨。如果銀河系或者更廣闊的星空範圍內只有人類這一個文明,那我們要搜尋到外星文明,可能只有等到什麼時候成為了強大的星際文明才有希望。那個時候,我們就可以前往各個星際探索,搜尋生命,搞清楚生命在宇宙到底是什麼情況?


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    當核心部分將氫全部轉化為氦之後,氫核聚變就停止了,沒有了輻射壓抵禦的外圍物質就向中心坍縮,形成了更高壓力,由此溫度急劇上升到1億K以上,這樣就點燃了氦核聚變,由此一路向前到碳。 碳核聚變需要10億K溫度,太陽質量左右的恆星,引力壓已經無法造就這樣的溫度,所以到了碳核聚變就停止了。
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  • 可控核聚變為什麼是終極能源?
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  • 核聚變發電是什麼?
    核聚變發電是什麼?核聚變是較輕的原子核聚合成較重的原子核的反應。這種反應必須在極高的溫度下進行,所以又叫做熱核反應。核聚變放出的能量比核裂變還要大10倍,是一種嶄新的能源。核聚變的原料主要是氫、氘和氚。
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    你是否想過這樣的一個問題:當人類攻克核聚變的關卡之後,世界將會變成什麼樣呢?很多人都說,這是無稽之談,但是,有時候,多一分猜想,未來就多一份可能的美好。核聚變與現行原子彈一樣並非完美。所謂戴森球只是假設,目前來看實現可控核聚變的可行性遠遠大於戴森球。至少可控核聚變已經是一個在實施的項目,而戴森球根本就是無稽之談,像劉慈欣的科幻一樣遙不可及。乍一看有道理,仔細一想,從化石能源直接到神級能源,中間需要有過度。而磁力約束核聚變可能是必走的一步路。
  • 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?
    為何恆星核聚變到鐵元素就停止了呢?簡單講,因為比鐵更輕的元素通過核合成形成時會釋放出淨能量,鐵元素之後的核合成雖然可以進行,但是吸收能量的。在恆星內部高溫高壓下,這些元素實際上無法真正穩定形成!核聚變示意圖形成鐵元素之後,核聚變仍舊能進行,但此時的恆星已經不能叫做「恆星」,因為此時的核聚變不再釋放能量
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  • 構成我們的物質從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結者?
    ,最終碰撞融合的機率也就高了,在某個臨界點「砰」的一聲核聚變就開始了。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。
  • 太陽也是核聚變反應,為什麼太陽能夠維持穩定而不發生爆炸?
    太陽的主要組成就是氫,在高溫高壓的環境中發生碰撞進行核聚變形成氦太陽每秒鐘會消耗6億噸氫,經核聚變形成5.95億噸氦,在反應過程中損失的500萬噸質量都按照質能方程轉化成能量。
  • 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
  • 中國核聚變獲得重大突破意味著什麼?
    中國核聚變獲得重大突破,說明中國在核能的研究、開發和利用上走在了世界前例,其意義非常重大。這意味著中國將有可能率先擁有人類終極能源之一。那麼什麼是核能、核裂變和核聚變呢?所謂核能是指核裂變能的簡稱。它包括重核裂變與輕核聚變。重核裂變是指一個重原子核,分裂成兩個或多個中等原子量的原子核,引起鏈式反應,從而釋放出巨大的能量。如人們所熟悉的原子彈就是利用了U_235核裂變的原理。
  • 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。
  • 夸克聚變威力或比核聚變大
    夸克聚變威力或比核聚變大 因衰變快不適用於研製武器 2017-11-08 科技日報 聶翠蓉 【:以色列特拉維夫大學和美國芝加哥大學科學家合作,首次證明夸克在聚變反應中能向外釋放強大能量,威力遠大於製造氫彈的核聚變釋放能量。
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  • 核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?
    什麼是核聚變呢?簡單來講,核聚變就是通過讓原子核實現相互融合,從而釋放出巨大的能量。迄今為止,人類在戰爭中所使用過的威力最大的武器就是原子彈了,而原子彈所採用的就是核裂變技術。原子彈的威力無人不知無人不曉,而與原子彈所採用的核裂變技術相比,核聚變所釋放的能量更加巨大,所有採用核聚變技術製造的氫彈,其威力更是要遠勝於原子彈。現而今人類還在試圖將核聚變技術可控化,並且將可控核聚變的實現視為第一宇宙文明的標誌,以人類現有的能源消耗速度來計算,如果可控核聚變真的實現,那麼人類也就具有了取之不盡用之不竭的能源。
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