恒星核聚变最多只能到铁,那么比铁更重要的元素又是如何出现的?
目前科学家发现的元素总共有118种,其中92种属于自然元素,其他26种元素都是人造的元素。
上初中化学时,我们都学过元素周期表,甚至背得滚瓜烂熟(可能现在都已经忘了吧),那么你知不知道,宇宙中这么多的元素到底是怎么来的呢?
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在要从宇宙大爆炸发生初期开始说起。宇宙大爆炸之后,当时的宇宙没有任何物质,只能纯能量,就像“能量汤”一样,温度极其高。随着宇宙不断膨胀,温度开始下降,宇宙中出现了亚原子粒子。在大约38万年之前,形成了第一批原子核,之后便形成了原子,宇宙开始进入物质世界。
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早期的宇宙基本上都是由氢和氦构成的,很少有更重的元素出现,事实上即便到了今天,氢和氦仍旧占据了宇宙的绝大部分。
那么更重的元素是如何形成的呢?
我们必须感谢恒星,因为恒星就是元素的“炼丹炉”!
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恒星主要是由氢组成的,拿我们的太阳举例子,太阳核心温度高达1500万度,内核呈现等离子态,因为温度足够高,电子早已拜托原子核的束缚到处乱窜,无数个电子,氢原子核(质子),光子等搅拌在一起。
理论上讲,要想发生核聚变,就需要足够多的能量输入,比如说人类制造的氢弹,需要达到一亿度的高温才可以,所以在引爆氢弹之前通常会先引爆原子弹来创造高温条件。
而太阳核心1500万度的环境本来是不能发生核聚变的。但了解量子力学的都应该清楚,微观世界会表现出与宏观世界很大的不同,那里随时会上演“量子隧穿”。
何为量子隧穿?用宏观世界的现象打比方,假如你面前有一堵5米高的墙,无论如何努力你都翻不过去,但在量子世界就不同了,你有一定的几率直接穿墙而过,到达墙的另一边(事实上宏观世界你也可以做到,但只是理论上,实际上几率低到可以忽略不计)。
而对于太阳来说,即使温度没有达到核聚变条件,仍有一定几率会发生核聚变,只是概率比较低。但即使概率低,由于太阳质量非常大,氢原子核数量多到不可想象,所以核聚变总是会发生的,只是核聚变的速度相对比较慢而已。这也是为什么太阳这颗“超级氢弹”并不会像人类制造的氢弹那样瞬间爆炸,而是会缓慢地进行核聚变。
氢原子核聚变成氦原子核,同时释放出能量。如果一颗恒星的质量足够大,核聚变就会继续进行,聚变成更重的元素,比如说碳原子核,氧原子核,乃至铁原子核。
但是一般情况下恒星核聚变到铁元素就停止了,为什么会停止呢?
需要了解两个概念:结合能和比比结合能。
质子和中子通过核力结合成原子核,如果想要把两者分开就需要能量,而需要的能量多少就是原子核的结合能。原子核的核子越多,结合能就越高,也意味着越难把它们分开。
结合能曲线,Ni-62才是最高的,然后是Fe-58和Fe-56
比结合能就很好理解了。结合能与核子数量的比值就是比结合能,也就是结合能的平均值。比结合能越大,原子核就越稳定!而铁元素的比结合能是最高的(实际上镍-62的比结合能会更高,但镍-62最终会衰变成铁元素。)
由于铁元素的比结合能最高,所以比铁更轻的元素核聚变时会释放出能量,理论上比铁更重的元素也可以进行核聚变,但核聚变时并不释放能量,而是吸收能量的,而且吸收巨大能量,普通的恒星无法提供重元素核聚变需要吸收的能量。
所以,理论上虽然比铁更重的元素仍旧能发生核聚变,但由于这个过程是吸收能量的,不再释放能量,所以这样的“恒星”已经不再属于恒星了。
为何核聚变吸收能量时,就无法再进行下去了呢?
我们都知道太阳为何能持续发光发热几十亿年,原因就是两种力量的平衡:核聚变释放的巨大能量产生的向外的压力,还有太阳巨大质量产生向内的万有引力,两种力量的平衡才让太阳能够持续发光发热,而且还会一直进行下去,起码还有几十亿年时间。
而一旦核聚变不再释放能量,就不会产生向外的压力,两种力量的平衡就被打破了,万有引力占据了统治地位,恒星开始急速向内坍缩,实际上就是恒星死亡的开始。
恒星死亡后会变成什么?质量较小的恒星会变成白矮星,比如我们的太阳。而质量比较大的恒星会坍缩成为中子星甚至黑洞。
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