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為什么有人說核聚變到產生鐵元素時就停止了?

一直以來,都有一種說法,那就是恒星的恒聚變反應會一直到鐵為止就結束。這話看起來當然沒錯,但并不代表,核聚變到了鐵之后就不能進行了。其實恒星也不是只能到鐵,在特大質量恒星演化的晚期,其實恒星內核中就會出現一些原子序數比鐵高的元素原子核,比如:元素鋅,只是含量很少很少而已。

核聚變反應

因此,其實這里面還是有很多說道。今天,我們就來簡單的講一下這個問題,科學家在研究具體的問題時,常常會先對研究對象下一個準確的定義。因此,我們也得先給“核聚變”下一個準確的定義,具體來說就是:

核聚變是原子核融合的核反應,是指把兩個將兩個較輕的原子核結合成一個較重的原子核和一個極其輕的原子核(或者粒子)的核反應。

我們最常見的就是氫彈的原理,一般都是用很輕的氫原子核來實現。

如果我們注意看反應前后的生成物和反應物,就會發現,整個反應過程中,損失了一部分質量,這部分質量以能量的形式傳播了出來。所以,這個過程是一個對外釋放能量的過程。氫彈的轉化率是0.7%左右,但威力已經十分巨大了。

這是因為這部分損失的質量對應的能量,是要通過愛因斯坦的質能方程E=mc^2來等價,其中c^2的數值就達到了9*10^16,而m是損失的質量,不管這個m有多小,乘以c^2這個因子都會是一個巨大的數字。

那么問題來了,只要是核聚變,就能釋放出如此多的威力么?

實際上并不是,這也是這個問題的關鍵。即使是在恒星當中,為了引發原子序數更高的原子核的核聚變反應,也需要通過引力提升溫度和壓強,來達到反應條件。而且順位在鐵之前的元素原子核,原子序數越高,所需要反應條件越苛刻。

那為什么會是“鐵之前的元素”?

最穩定的原子核

這是因為鐵原子核最穩定。這該如何理解呢?

在自然界有個趨勢,變化的過程基本上都是從高能量狀態流向低能量狀態,這就好像水往低處是一個道理。如果我們要在元素周期表中找到一個最穩定的原子核,那這個原子核就是鐵原子核

鐵原子核之所以最穩定,是因為鐵原子的比結合能最高

鐵之前的原子核的比結合能,基本上是隨著原子序數的提升,到達鐵時是最高的,然后這之后就會逐漸下降。

因此,在自然界中,鐵之前的元素原子核都會聚合的趨勢,鐵之后的元素都有裂變的趨勢,兩者其實都是釋放能量的過程。所以,原子彈雖然用的是核裂變反應,但實際上威力也不少。其實整個過程中也損失了質量,這部分質量以能量的形式擴散出去了。

超新星爆炸和中子星合并

要讓鐵原子核,甚至包括比鐵元素序數更大的原子核,發生核聚變發生反應并不是可以。關鍵是,鐵原子核的反應就需要吸收大量的能量,而釋放出來的能量遠遠小于吸收的能量,所以這是一筆賠本買賣,并不符合能量從高往低的趨勢。

要讓這個反應進行,就需要極為苛刻的條件,并且輸入足夠高的能量。這個過程在自然界這種現象是很少見,但并不是說不存在。質量是太陽質量8倍以上的特大質量恒星在演化的晚期由于巨大的引力,就會促發鐵原子核的核聚變反應,爆發超新星爆炸,同時產生大量的高順位的原子核,超新星爆炸的亮度甚至可以達到一個星系的亮度。

而這個階段過后,恒星的核心要么變成一個中子星,要么變成一個黑洞。而中子星是十分致密的天體,一勺子中子星物質就要上億噸。而兩個中子星之間如果相遇,就會發生超新星的合并,這個過程同樣是十分劇烈的,一點不壓力超新星爆炸。科學家目前已經能夠在地球上探測到中子星合并所產生的引力波了。

在中子星合并過程中,也會產生大量的原子序數高于鐵的元素原子核,其中我們熟悉的金元素和銀元素絕大部分都是通過這個方式產生的。

也就是說,核聚變并不局限與鐵元素之前。

實際上,鐵之后的元素也是通過核聚變產生的,只是反應條件很苛刻,所以很少見,在宇宙中的含量也很低

而我們地球上的高順位的元素都是通過超新星爆炸和中子星合并而生成,后來,由于某些原因,這些元素被拋灑到了宇宙中,成為星云中的一部分。在地球形成過程中,在引力作用下,這些元素聚合到了地球上。

也就是說,人體內含有的元素,要么是宇宙初期形成的,要么原來是在恒星的內核核聚變而來,要么是超新星爆炸而來,要么是中子星合并而來。它們的年紀都要超過45億歲以上,最年長的氫元素其實達到了138億歲。

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