恒星核聚变到铁元素就停了,比铁更重的元素是怎么产生的?

路昭观看科技 2024-11-27 02:06:21

在核聚变的世界中,铁是一个分水岭。超过铁之后的元素,聚变过程反而会吸收能量,而非释放。

这意味着,当一颗恒星的核心处进行的核聚变反应达到铁(准确来说是镍-62,但最终镍会转化成铁),由于无法再释放能量,恒星内部的平衡状态崩溃,核聚变反应随之停滞。

为何在铁之后的元素聚变会消耗能量?答案在于铁具有最高的比结合能。

要理解比结合能,我们首先需要明白什么是结合能。

结合能是指将原子核内的核子紧密束缚在一起所需的能量,反过来,如果要把这些核子分开,同样需要能量,这便是原子核的结合能。结合能并不代表元素原子核所含的能量,它仅仅表示分裂(裂变)或合并(聚变)原子核时所需吸收或释放的能量。原子核内核子数量(质子与中子均为核子)越多,结合能就越高。

比结合能则是结合能除以核子数量,亦被称为平均结合能。比结合能与结合能的关系好比国内生产总值(GDP)与人均国内生产总值。

如同一个国家的GDP高并不直接意味着人均GDP也高,对于核聚变来说,比结合能的意义远大于结合能。

铁的比结合能最高,这表明铁是所有元素中最稳定的一种。

正因为铁的稳定性,试图向铁原子核中添加更多核子(即聚变)变得极为困难,因此需要消耗大量的能量。

我们还可以用爱因斯坦的质能方程E=MC平方来解释为何铁之后的元素聚变会吸收能量。

在铁之前的轻元素进行聚变时会失去质量并释放能量,而铁之后的重元素在聚变时则会增加质量,从而吸收能量。

那么,为什么一旦吸收能量,恒星内的核聚变就会停止呢?

因为恒星的存在依赖于重力和核力之间微妙的平衡。

核聚变释放的能量向外产生压力,与恒星自身的引力相平衡,从而使恒星能够稳定存在。

从氢元素开始,引力的压缩作用使得恒星内部产生高温,达到开始聚变所需的条件。核心部位先吸收能量,随后通过聚变释放出更多的能量,这股能量又为下一轮的聚变提供动力,如此循环。

然而,一旦恒星内部开始进行铁聚变,不仅不会释放能量,还会迅速消耗恒星的能量,导致恒星发生坍缩,进而触发核爆炸,即超新星爆发。

超新星爆发释放的能量,在短短时间内比太阳整个生命周期中释放的能量总和还要巨大许多。

这股强大的能量瞬间在宇宙中形成一个巨大的反应炉,产生出包括铁以后的所有重元素。

最终,在恒星原位置会形成一颗中子星或黑洞。

简而言之,

当恒星决定走向终点,没有任何力量能够阻挡。

在科学界,铁聚变被称作“恒星杀手”,它终结了恒星内部的核聚变过程,却同时开启了生命起源的超新星爆发,加速了宇宙产生全部元素并散播元素的过程,大大缩短了孕育生命所需的时间。整个过程使得地球的诞生,以及地球上的我们成为可能。

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