原子核 为什么26号元素铁,可能是宇宙最后一种元素



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目前,人类已知的元素共有118种。从第1号元素氢(H)到第98号元素锎(Cf)都可以在地球上找到,更重的元素则是通过人工合成出来的。理论上,人类还可以合成出更重的元素,最重的元素有可能是第184号元素。
在地球上,氧、硅、氮、铝、铁等都是十分常见的元素。但在宇宙中,最为常见的元素是元素周期表中的前两种元素——氢和氦,其中氢的质量占比为75%,氦的质量占比为24%。氢和氦合计占到了宇宙总质量(重子物质)的99%,其他更重元素的占比仅为1%。质量达到地球33万倍的太阳,其元素组成与整个宇宙的情况相一致。
宇宙中的元素都是怎么来的?


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宇宙中几乎都是氢和氦,它们最初来自于138亿年前的原初核合成过程。在宇宙从大爆炸中创生几分钟后,强核力让质子和中子形成,并将它们束缚在一起,大量合成出了氢和氦。但由于空间快速膨胀,宇宙迅速变冷,更重的元素没有条件合成出来。
大约1亿年后,由氢和氦组成的气体云在引力的作用下,坍缩成恒星。在恒星的核心区域中,氢原子核发生核聚变反应,结果会形成氦。当氢耗尽之后,氦继续进行核聚变反应,合成出碳、氧等更重的元素。


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对于质量大于太阳8倍的恒星,它们可以一直合成到第26元素铁、27号元素钴、28号元素镍。钴、镍最终又会转化成更为稳定的铁-56,这是恒星核聚变反应的终点。


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由于铁的核聚变是一个净消耗能量的过程,这会打破恒星的静力学平衡,引发大质量恒星发生超新星爆发。超新星爆发会释放出极为巨大的能量,并产生大量的自由中子,它们能够被铁俘获,进一步合成出其他重元素。此外,白矮星、中子星的碰撞过程也会产生重元素。
那么,为什么会说第26号元素铁可能是宇宙中的最后一种元素?


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铁元素很特殊,其比结合能在所有元素中最高,这意味着它们的原子核最为稳定。准确地说,最稳定的铁原子核是铁-56,其中包含26个质子和30个中子。铁之前的元素进行核聚变会释放出能量,铁之后的元素进行核裂变会释放出能量,正因为如此,最为稳定的铁才会引爆大质量恒星。
原子核总会朝着最为稳定的形式演变,只要给予足够漫长的时间,最稳定的铁-56将会是宇宙中所有元素的终点。根据热寂理论,宇宙将会在10^1000年后,达到熵值最大的状态。到了那时,通过量子穿隧效应,铁之前的元素会不断发生核聚变,铁之后的元素会不断发生核裂变和核衰变,直至全部转变为铁-56。


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