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：117

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。