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恒星核聚变到铁就停了, 那些比铁更重的元素是怎么产生的?

发布日期:2024-10-14 14:16    点击次数:115

在核聚变的过程中,铁元素构成了一个分水岭。过了这个阶段,聚变反应不再释放能量,反而需要吸收能量来继续进行。

具体来说,当恒星内部的核聚变进程达到铁(确切地说,是镍-62,但镍最终会转化为铁),由于无法再释放能量,恒星的内部平衡遭遇破坏,核聚变便无法持续。

为何在铁之后的核聚变过程中需要吸收能量呢?这与铁元素拥有最高的比结合能有关。

要理解比结合能,我们需要先明白什么是结合能。

结合能是指将原子核中的核子结合在一起所需的能量,按照人教版高中物理课文的描述:“原子核是由核子依靠核力结合在一起形成的,如果要把这些核子分开,也需要消耗能量,这就是原子核的结合能。”结合能并不是元素原子核自带的能量,而是在拆解(裂变)或合并(聚变)原子核过程中需要摄入或释放的能量。原子核内的核子数量(质子和中子都算作核子)越多,其结合能就越大。

比结合能则被定义为结合能除以核子数,也称为平均结合能。结合能与比结合能的关系好比GDP与人均GDP。

就像一个国家的GDP总量虽高,但要看生活水平还得看人均GDP一样,核聚变的关键在于比结合能,而非结合能。

铁之所以拥有最高的比结合能,意味着它是最稳定的元素。

由于铁的稳定性,想要通过聚变继续向铁原子核添加核子会变得异常艰难,因此需要消耗巨大的能量。

上文附有一张元素比结合能的曲线图(很多资料误称为结合能,一词之差,意义天壤之别)。从图中可以明显看出,为什么氢弹(包含氢元素的聚变)的威力会超过原子弹(铀元素的裂变)。

此外,还可以通过爱因斯坦的质能方程式E=MC²来解释为何在铁之后的聚变过程中会吸收能量。

对于铁之前的轻元素,它们在聚变过程中会失去质量,因而释放能量;而铁之后的重元素在聚变中会增加质量,所以需要吸收能量。

为何吸收能量后,恒星内的核聚变就不能持续了呢?

这是因为恒星是靠着引力与核力的微妙平衡而稳定的。

核聚变产生的能量对外界形成压力,与恒星本身的引力达到平衡,恒星才能保持稳定。

从氢开始,引力的压缩作用使得恒星内部形成高温,满足了开始聚变的条件。核心首先吸收能量,然后通过聚变释放更大的能量,这些能量进一步为下一轮的聚变提供动力,如此循环。

但当铁聚变在恒星内部发生时,不仅不会释放能量,还会迅速消耗恒星的能量,导致恒星坍缩,进而触发核爆炸,这就是超新星爆发。

超新星爆发释放出的能量,在短短时间内比太阳整个100亿年生命周期中释放的总能量还要多出百倍。

这股巨大的能量在宇宙中一瞬间形成一个超级熔炉,可以产生包括铁之后的所有重元素。

随后,在恒星原地可能会形成中子星或黑洞。

一旦恒星决心走向终结,没有任何力量能够阻止。

在科学领域,铁聚变被喻为“恒星杀手”,它终结了恒星内部的核聚变,却开启了超新星爆发,这不仅是生命起源的关键,还加速了宇宙产生所有元素并散播这些元素的过程,大大缩短了孕育生命所需的时间。