核聚变到铁就停止了,那么宇宙里比铁要重的元素都是怎么堆出来的?
首先,我们要知道,在138亿年前的宇宙大爆炸初期只形成了大约75%的氢,25%的氦,微量的氘(氢的稳定形态同位素),极其微量的氚(氢的放射性同位素)、锂和铍7 。再往上的元素就没有了 。这个过程叫太初核合成 。并且氚和铍7都有放射性,之后它们就全部衰变成氦3和锂7了 。
也就是说,宇宙中绝大部分的氢原子和氦原子已有138亿岁了,并且它们占据了目前宇宙元素总量的99%以上 。之所以这两个元素在宇宙中的占比如此之高,是因为它们的核子数足够少,并且足够稳定 。
之后的大部分元素都是由恒星生成的:
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在小质量的恒星里,氢再聚变成氦,氦聚变成碳和氧,然后就到此为止了 。
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在质量较大的恒星里,氦可以继续聚变成氖、硅、镁一直到铁 。当恒星中心的大多数质量都变成铁后,其中心部分所产生的压力将非常巨大,这导致电子被压入铁原子核,与原子核中的质子转变为中子,最后整个恒星核心都将变成中子 。由于该中子核心极端致密,进一步的聚变反应也被中止 。
所以大多数的恒星都是聚变到铁为止 。那么,宇宙中主要有两种机制生成比铁更重的元素:
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一是在晚期红巨星的大气中,有较低的中子通量,原子核可以继续吸收中子直到生成钋210,钋210有放射性,放出一个α粒子后衰变成铅206,如此循环 。
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二是在超新星爆发时有较高的中子通量,原子核可以快速吸收中子,生成更重的元素 。但是更重的元素里只有钍232、铀235、铀238三种的半衰期较长(140亿年、7亿年、45亿年),因此比铀还重的元素最终都衰变成了钍和铀 。
最后,在超新星爆发的同时,恒星将抛出几乎全部的外层物质,只留下一颗体积极小的中子星核心 。在爆发过程中将伴随少量重元素的生成,从28号元素镍到94号元素钚(甚至更重的元素)都可能在此过程中生成 。
可是,宇宙中只有少部分重元素是这么来的 。
通常来说,铁之后的重元素主要通过原子核吸收中子并发生β衰变来产生更重的元素 。超新星爆发的确可以在较短时期内制造出大量重元素,但超新星爆发过程中缺乏足量的中子供给,也就是说,超新星爆发并非是重元素生成的主要途径 。
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那么,宇宙中可以大规模释放中子的现象只有中子星的撞击和合并了 。当质量大约为太阳8到20倍的两颗相近恒星发生超新星爆发并遗留下中子星核心后,这两颗中子星将以两者的重心为回转轴进行公转 。当两颗中子星不可避免地走向撞击或者合并时,这一过程将释放出巨大的能量和大量的中子,可以在极短时间内制造大量包括金、铂等贵金属元素在内的重元素 。
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然而,按照中子星的碰撞频率计算,重元素的产量远不及宇宙中的真实丰度 。还有一种理论是说重元素的主要来源是极速旋转的超新星,它们产生强磁场并发生坍缩,进而形成金、铀等重元素 。
此外,该理论还根据不同恒星的质量、年龄等条件判断了其可以产生的元素,例如质量只有太阳1/8的恒星能产生碳和氮元素,同时也能产生一半比铁重的元素 。目前,这一新理论还有待更多证据的进一步检验 。
最后的一些重元素的合成方式就是人类自己创造的,人工合成的元素基本都是放射性的 。在元素周期表中基本上从95号~100来号左右就都是人工合成的了 。
铁元素的特性为何如此神奇?文章插图
这是因为在118种元素中,原子序数太多或太少的元素,其核子结合的牢固程度都不高 。而铁元素的原子序数(质子数)为26,所以铁元素的原子核相对于其它元素是最稳定的(这里指核稳定,不是化学性质) 。
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物质的基本单位是原子
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在原子核中,质子和中子统称为核子 。将核子从原子核中分离做功消耗的能量,被称为结合能 。
也就是说,要把铁元素的每个核子(质子+中子)结合(或拆开)所需的能量在所有的元素中是最大的 。这个能量就是原子核的结合能 。
由于任一原子核的质量总是小于其组成核子的质量和(这一差值被称为质量亏损),那么,根据爱因斯坦的质能方程E=MC2,我们知道能量和质量是可以相互转化的 。因此,结合能的大小可以由质能方程来推算:
结合能=(原子核内所有质子、中子的静止质量和-原子核静止质量)×光速2
再根据热力学第二定律(有序变无序):
铁元素的平均结合能=总结合能÷原子核中的粒子数
最终得出了:原子序数(质子数)小于铁的物质最终会聚变融合为铁元素,而质子数大于铁的物质最终会自发裂变或衰变为铁元素 。
简单来说,所有原子核都有结合能,且这个能量是一个负数(表示一个核子需要这么多的能量才能逃离这个原子核) 。原子核发生聚变和裂变的目的都是为了减少自身的能量储备(因为低能量级比高能量低更稳定) 。
铁之前的元素的比结合能(结合能与核子数之比)随质子数的增长而增长,铁之后的元素的比结合能则随质子数的增长而下降 。因此,高的结合能意味着更低的能量级,所以铁之前的元素会发生聚变来降低自身能量 。而铁由于具有最紧密的原子核,无法通过聚变或裂变来释放能量,所以铁成了终极产物 。
这意味着当恒星的核心聚变为铁元素时,便宣告了自身的死期到来 。随后,恒星尸体便会塌缩成中子星或黑洞 。
因此,未来的宇宙万物都会趋向于变成“铁”的世界 。
其他网友观点
“核聚变到铁元素就停止了”这句话并不准确,铁元素之后核聚变依旧进行,只是聚变的条件更加苛刻,铁元素之后的核聚变不再释放能量,而是吸收能量 。因此,恒星的平衡就被打破了,恒星核聚变就进行不下去了 。
为什么会出现这种情况呢?
首先,我们要理解两个概念:
结合能:原子核是核子(质子和中子)通过核力结合在一起的,如果把核子分开所需要的能量就叫作结合能 。所以核子越多,所需要的能量就越多,结合能就越高 。
比结合能:也叫作平均结合能,就是原子核的结合能与核子数之比,叫作比结合能 。所以元素的比结合能越高说明原子核越稳定 。
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元素核子比结合能变化曲线
由上图可以看出,铁元素的比结合能最高,也就是说铁元素最稳定 。
恒星核聚变是一步步进行的,首先是氢聚变形成氦元素,氦元素聚变形成碳元素,之后形成氧元素,以此类推形成铁元素 。
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【核聚变到铁就停止了,那么宇宙里比铁要重的元素都是怎么堆出来的?】为什么恒星核聚变到铁元素就停止了,因为恒星之所以稳定是由于恒星核聚变释放的能量形成的推力与恒星内部的万有引力达到一个微妙的平衡状态 。
铁元素聚变吸收能量,打破了这种平衡,导致恒星向内坍缩,根据恒星质量大小,最终会形成白矮星和超新星 。
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恒星演化过程
那么铁元素之后的 重元素是怎么形成的呢?
大质量恒星在向内坍缩过程中产生了超高的压力和温度,给铁元素聚变提供了条件,从而形成了铁之后的重元素 。
这个过程就是超新星爆发,而且超新星爆发的过程是很短暂的,但是超新星爆发所释放的能量是非常恐怖的,一场小规模的超新星爆发所释放的能量也超过太阳100亿年所释放能量的总和 。
超新星爆发释放巨大能量和自由中子,铁原子核俘获自由中子,从而合成了金、银铜等重元素 。
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超新星爆发
此外,近些年观测发现中子星碰撞也可以形成重元素 。
超新星也就是宇宙重元素的播种者,超新星抛撒到星际空间的物质会成为下一代恒星形成的材料 。
也就是说组成我们身体的物质都是恒星的一部分,印证了那句“我们都是星空中的一粒尘埃!” 。
结论所以说恒星核聚变到铁为止,但是后期的超新星爆发形成了铁之后的重元素,并把重元素播撒到宇宙空间 。
相对于恒星的演化过程动辄几十亿上百亿年,我们人类的存在真的只是一刹那!
根据熵增理论,宇宙最终回归混沌,死亡才是宇宙最终的归宿 。
其他网友观点宇宙中天体就是元素的集中地,星云尘埃气态行星固态行星恒星黑洞等,重元素依次增多,天体都是螺旋结构,分层密度由密到稀,地核地幔地壳大气,太阳也不例外,太阳核心是比铁更重的元素分层,铁是中层外层,外层气态层,就像个洋葱结构,当核心的重元素达到一定程度,量变到质量,内缩形成黑洞 。超新星爆炸是升级成黑洞失败爆炸,在引力作用下形成残核,喷出来的重元素是核心的重元素,爆炸形成的重元素占比极少数 。
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