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为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?

发布时间:2019-06-03 11:21:04  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:306

      宇宙中高于铁的元素,可以是大质量恒星在演化末期,通过中子俘获过程形成;或者在双中子星合并事件中,也能大量形成。
      我们地球上的元素非常丰富,从1号氢元素到92号铀元素都有,铀是自然界中大量存在的最重元素;大于92号的叫做超铀元素,只有几种在自然界中微量存在,其余都是人工合成的,超铀元素的半衰期一般都很短。
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      如果了解一点天文学知识,就会知道恒星是一个元素加工厂,可以把宇宙中的氢元素进行核聚变,然后生成各种各样的元素。
      比如在恒星内部,氢元素聚变生成氦元素,并释放大量能量;然后氦元素又聚变,生成碳元素和氧元素;碳元素的聚变,又可以生成氖、钠、镁、铝元素。
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      但是这样的聚变,在恒星内部到铁元素就终止了,比如硅元素聚变生成铁-56,然后铁-56无法继续进行聚变;那么高于铁的其他元素,又是如何来的呢?
      我们知道,氢弹是氢的同位素聚变,原子弹是铀或者钚裂变,两个核反应都是释放能量,这与原子核的“比结合能”有关。
      结合能表示把原子核中的核子(质子和中子)完全分开,所需要提供的能量;但是我们不关心结合能,而是关心结合能与核子数量的比值,叫做比结合能。
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      比结合能越大,表示原子核越稳定,铁-56的比结合能是所有原子中最大的,所以铁-56是最稳定的原子,比铁更高的元素叫做超重元素,看来大家说“老铁”是有原因的(暗笑)!
      对以上原理有了一些了解后,我们再来看宇宙中元素的形成原理;所有恒星在刚形成时,都会进行氢元素的聚变反应,氕核先聚变为氘核,再经过多步聚变后,产物主要是氦-4:
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      (1)对于小质量恒星,比如小于0.8个太阳质量的红矮星,就只能聚变到氦了,因为这种恒星的质量太小,内部温度不够高,氦元素的聚变反应无法点燃。
      (2)像太阳这样的恒星,在氢元素燃烧完后,引力作用会临时压过核聚变释放的能量,然后恒星外层发生收缩,使得内核温度急剧升高,就会点燃氦元素;氦的聚变非常快,并释放大量能量把恒星外层大气吹走,也就是氦闪,在《流浪地球》中就是假设太阳即将发生这种情况。
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      (3)太阳在演化末期只能聚变到碳、氧元素,比太阳质量更大的恒星,聚变反应可以到硅元素。
      (4)对于大质量恒星(约10倍太阳质量),一直可以聚变到铁元素,然后聚变反应就终止了,因为铁的结合能是最高的。
      铁-56原子有26个质子和30个中子,要使铁变为更重的元素,就需要继续往铁原子中塞入质子,原子核由强力把质子和中子绑在一起,但是强力是短程力,只在10^-15米尺度生效。
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      虽然强力是库仑力的100倍,但是库仑力是长程力,原子核带正电荷,这时候要把质子塞进铁原子核是非常困难的,因为质子和铁原子核会相互排斥。
      由于库伦势垒太高,超重元素无法在恒星内部通过质子俘获、或者α粒子俘获的方式形成;而且铁-56进行质子俘获的平均时间,已经远远高于了恒星的寿命,于是在恒星内部,只能通过中子俘获的方式获得超重元素。
      由于中子不带电,所以中子比质子更容易接近原子核,中子被原子核中强力抓住的过程,叫做中子俘获,中子俘获又分为慢中子俘获过程(s过程)和快中子俘获过程(r过程)
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      大质量恒星在演化末期(红超巨星),恒星内部聚集了许多铁元素,也存在密度很高的中子流(可达每立方厘米10^8个);于是铁-56俘获一个中子变为铁-57,然后铁-57的原子核发生β衰变(释放一个高能电子),生成比铁高一号的27号元素钴 ,也就是Co-57,然后Co-57继续通过中子俘获过程,生成更重的元素。
      慢中子所处温度低,中子俘获过程时间长,如果生成物的半衰期太短,生成物就会在下一次还没俘获中子前发生衰变,所以慢中子俘获过程只能生成一小部分超重元素;而快中子的俘获过程时间短,可以生成大量的超重元素。
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      大质量恒星在超新星爆发时,能达到100亿度以上的温度,此时快中子密度极高(可达每立方厘米10^23个),于是铁元素在超新星爆发中进行快中子俘获过程,可以生成大量的超重元素;或者在双中子星合并事件中,中子溃散后不久会衰变为质子,也能形成大量的超重元素。
      以,形成比铁更重的元素,就至少有三种方式:
      (1)大质量恒星演化为红超巨星时,铁-56通过慢中子俘获过程,产生少量超重元素;
      (2)双中子星合并事件中大量产生;
      (3)超新星爆发时,通过快中子俘获过程大量产生。
      我们地球上有着各种各样的元素,一些超重元素还是人体不可缺少的微量元素,比如29号铜元素,存在于肌肉和骨骼当中;33号砷元素,存在于头发和皮肤中;34号硒元素,存在于心肌和骨骼肌中。
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      然而这些元素,归根到底来自于至少45亿(太阳系年龄)年前,某次超新星爆发或者双中子星合并事件;我们身体中的元素,就是超级爆炸中落入太阳系的余烬尘埃;原来,我们都是“来自星星的你”。
      然而这样的事件,每天都发生在宇宙当中,在我们银河系内平均每个世纪里,会有1~2次超新星爆发事件。我们夜晚看到那条明暗相间的银河,其实就是无数次超新星爆发后,残留下来的物质挡住了银河系中心的光线。
    为何核聚变到铁元素就停止了?那些重元素是怎么来的?
      在红外线望远镜下,这些残骸显现出明显的放射状,或许在某处就有另外一个文明,在观察我们的太阳系。