为什么第26号元素会引爆恒星?

为什么第26号元素会引爆恒星?
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在元素周期表中,第26号元素铁在一些恒星的演化过程中扮演着重要的角色,这种元素能够成为恒星的终结者。每当这种元素在恒星内部出现时,就会宣告着恒星走向毁灭。
那么,铁元素究竟是怎么来的呢?为什么铁元素可以毁灭恒星呢?
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在地球上,通过自然界中的元素衰变以及人工合成元素可以得到元素。不过,这并非元素的最初来源。宇宙一开始只有氢元素和氦元素,它们都是在早期宇宙中合成出来的。但早期宇宙的条件只够合成出氢和氦,其他元素都来不及合成。直到恒星的出现,改变了这一切。
恒星聚集了弥散在太空中的氢和氦气云,它们的核心区域拥有极高的温度和压力,氢原子核在这种极端环境中可以突破电磁力的排斥作用,互相碰撞,发生核聚变反应,结果会合成出氦原子核。氢核聚变的方式有两种,一种是主要出现在中低质量恒星中的质子-质子链反应,还有一种是主要出现在大质量恒星中的碳氮氧循环。
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不过,氦原子核不会马上进行核聚变反应,因为氢的核聚变反应所需能量更低,所以氢核聚变优先进行。直至恒星核心区域中的氢都转变为氦,接下来才会进行氦核聚变。氦核聚变也有两种方式,一种是氦核作用,还有一种是3氦过程。
随着核聚变反应的进行,恒星的核心中会堆积越来越重的元素。不过,恒星内部的核聚变反应并不能合成出所有的元素,因为一旦铁元素被大量合成出来,核聚变反应将会结束,恒星会发生爆炸。
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原子核中的质子和中子通过强大的核力结合在一起,原子核的结合能会随着核子数的增加而升高。但结合能不能反映原子核的稳定性,真正能表征原子核有多稳定的参数是结合能与核子数的比值,也就是平均结合能。平均结合能越高,原子核越稳定,所以越不容易发生核聚变反应。
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氢的平均结合能最低,所以它最容易发生核聚变反应,而且产生能量的效率也更高。随着原子序数的增加,平均结合能逐渐增加(锂是个例外),直到铁元素达到最高值,核聚变反应变得越来越困难。
比铁更小的原子发生核聚变反应都会释放出能量,而铁的核聚变反应整体上会消耗能量,因为产生的能量还没有消耗的多。一旦开始铁的核聚变反应,恒星就会失去平衡。
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因为恒星的引力会不断挤压自身,这需要内部的核聚变反应产生的辐射压来对抗。铁的核聚变反应导致辐射压不够,恒星就会发生强烈的引力坍缩,从而发生超新星爆发。
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需要注意的是,只有质量大于太阳8倍以上的恒星才能合成出铁元素。而像太阳这样的中低质量恒星,最多只能进行到碳核聚变为止。如果给太阳扔块铁,也不会让太阳爆炸,因为太阳根本没有能力启动铁核聚变。

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