核聚变|恒星核聚变反应到铁元素就停止了,那铁之后的元素是怎么形成的?
按照目前的主流科学理论 , 宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸 。 宇宙大爆炸之后 , 宇宙在很短时间内 , 从无到有生成了基本粒子 。 这里不完全是“无” , 而是“电磁波” , 高能的电磁波也会像正反粒子那样发生湮灭 , 进而生成粒子 , 只不过这里的条件极其苛刻 , 环境温度都需要达到几十亿度 , 甚至上百亿度 。
在宇宙大爆炸之后38万年 , 宇宙中的原子结构得以形成 。 此时 , 宇宙中主要的基本原子是氢原子和氦原子 , 氢元素和氦元素是元素周期表上最靠前的两个元素 。
至于元素周期表上其他的元素到底是咋来呢?
从氢元素一直到铁元素 , 实际上都是从恒星的核聚变反应中来的 , 那么问题来了 , 比铁元素原子序数更大的元素是咋来的呢?
恒星:元素炼丹炉
要了解这个问题 , 我们首先还是要从“恒星如何制造元素”入手 。 恒星被认为是宇宙的顶塔 , 宇宙中的光主要是由恒星发出来的 。 恒星会发光的原因是恒星的内核会发生核聚变反应 , 而恒星聚变反应的同时就是在制造原子序数更大的元素 , 那具体是咋回事呢?
恒星的个头实际上都非常大 , 质量也很大 , 就拿太阳系的情况来说 , 太阳就占据整个太阳系总质量的99.86% , 是地球质量的33万倍 。 地球等类地行星在太阳系中都很渺小 , 几乎可以忽略不计的存在 。 而按照目前理论预言的情况来看 , 成为一颗恒星的门槛至少是太阳质量的8%以上 。
恒星由于自身质量巨大 , 物质总量很大 , 所以它们的引力也非常大 , 这就会挤压自身内部的物质 , 使得温度急剧上升 , 达到上千万度 , 这个温度一般来说是达不到引发核聚变反应的 。 只不过在微观世界中 , 存在着隧穿效应 , 意思是说 , 即便是需要很多的能量才能发生的反应 , 但反应条件不够 , 在微观世界中也有很小的概率会发生 。
【核聚变|恒星核聚变反应到铁元素就停止了,那铁之后的元素是怎么形成的?】由于恒星都很大 , 粒子数足够多 , 所以再小的概率 , 在这个基数面前都可以发生 , 这才使得恒星可以发生核聚变反应 。 不过 , 这个过程因为是依靠量子隧穿效应 , 所以会很缓慢 。 恒星内核的核反应主要是4个氢原子核反应生成1个氦原子核 , 这就实现了炼出原子序数更大原子的目标 。
当太阳内核中的氢原子核都消耗完后 , 只要质量足够大 , 就可以继续触发下一个阶段的反应 , 这个反应是氦原子核核聚变反应生成碳原子核和氧原子核 。
同样的 , 只要是质量足够大 , 就可以继续触发 , 一直到铁原子核 。 此时的恒星就像洋葱一样 , 各层都在进行着不同的反应 , 那为什么铁原子核会是一个里程碑呢?
超新星爆炸
这是因为铁原子核是最稳定的原子核 , 也被叫做比结合能或者平均结合能最大 , 意思是说你要掰开一个铁原子核所需要的能量是最大的 。
要使得铁原子核发生核聚变反应就需要输入特别巨大的能量 , 同时这个核聚变反应产生的能量很少 , 说白了就是赔本的买卖 。
虽然需要的能量很大 , 但只要恒星的质量足够大 , 还是可以促发这个反应的 。 于是 , 恒星就会发生超新星爆炸 。
在超新星爆炸过程中 , 就会合成很多比铁元素原子序数更大的原子核 。
中子星合并
不过 , 科学家发现 , 铁元素之后的元素并不完全都是超新星爆炸得来的 , 比如:金元素和银元素就只有极少的一部分是依靠超新星爆炸 。 那它们又是通过什么办法得来的呢?
恒星超新星爆炸之后 , 会留下一个内核 , 这个内核的质量如果大于1.44倍太阳质量 , 小于3倍太阳质量就会形成一个中子星 。 如果质量大于3倍太阳质量 , 就会形成黑洞 。
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