恆星核聚變到鐵元素為何就停止了?比鐵更重的元素是如何產生的?

宇宙探索 發佈 2022-08-16T07:37:09.109854+00:00

鐵元素之後其實仍然能進行聚變,只不過聚變的過程不再釋放能量,反而會吸收能量。所以我們通常會說「恆星核聚變到鐵元素就停止了」,畢竟我們通常會認為核聚變應該釋放能量。為什麼比鐵更重要的元素聚變的時候會吸收能量,而不是釋放能量呢?因為鐵元素最穩定,專業術語就是:鐵元素的比結合能最高。

鐵元素之後其實仍然能進行聚變,只不過聚變的過程不再釋放能量,反而會吸收能量。所以我們通常會說「恆星核聚變到鐵元素就停止了」,畢竟我們通常會認為核聚變應該釋放能量。

為什麼比鐵更重要的元素聚變的時候會吸收能量,而不是釋放能量呢?

因為鐵元素最穩定,專業術語就是:鐵元素的比結合能最高。

何為比結合能?先了解下結合能的概念。

原子核由中子質子等核子組成,強核力把核子結合在一起,而要把核子分開,需要強大的能量,這種能量就是結合能。

原子核的核子數越多,結合能就越高。而比結合能其實就是「平均結合能」,結合能總量除以核子數,就是比結合能。比結合能越高,元素就越穩定,而鐵元素的比結合能是最高的,所以鐵元素最穩定。

也正是因為鐵元素最穩定,所以想要往鐵原子裡塞進更多的核子就會非常困難,消耗更多的能量才行。

下面來說說,為什麼聚變吸收能量時,恆星核聚變就無法進行下去了呢?

恆星之所以能進行穩定的核聚變,是因為兩種力量的平衡:核聚變產生的外推力,還有自身質量帶來的向內的引力,兩種力量平衡,恆星才能持續穩定。

最開始是氫元素聚變(需要恆星核心的高溫高壓提供能量),成為更重的氦元素,這個過程會釋放能量,釋放出來的能量為接下來的聚變提供能量繼續核聚變,就這樣不斷循環。

但是,當核聚變到鐵元素時,不但不再釋放能量了,反而會吸收能量,如此一來核聚變就進行不下去了,結果就是兩種力量的平衡被打破,引力徹底占據上風,恆星物質開始急劇向內坍縮,大質量恆星就會引發超新星爆發。

超新星爆發瞬間會釋放出超級能量,僅次於宇宙大爆炸的能量,短短几秒鐘比太陽100億年釋放出來的總能量還多數百倍!

超新星爆發產生的巨大能量就像一個超級熔爐,足以讓鐵元素繼續聚變下去。

我們應該感謝超新星爆發,因為我們今天看到的金銀首飾等重金屬,基本都是超新星爆發後的產物。

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