宇宙中比铁重的元素是从哪里来的?答案在这里!

看科普书的时候,大家肯定都有一个疑问 。超新星爆发前,恒星是一个洋葱状结构,中间有一个大铁球 。大多数材料中描述的超新星爆炸都是核坍缩型,超新星爆炸发生在恒星内部核聚变达到铁时 。那么问题来了,为什么铁不能被融化?宇宙中那么多比铁重的元素是从哪里来的?
元素的融合和特异结合能

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恒星是名副其实的元素工厂 。宇宙中几乎所有的元素(除了氢)都可以在恒星演化过程中产生 。使用的原料是BIGBANG中诞生的氢气 。应该说恒星制造了氢,最终氢制造了恒星 。
一般来说,恒星的释放大部分是由核聚变产生的 。恒星从原恒星开始,内部达到氢聚变的条件 。如果恒星足够大,它会从氢变成铁 。
第一步非常关键 。从质子到中子再到质子氘,完成这一步需要量子隧穿效应 。在太阳层面,只有十亿个质子有这样的机会,但幸运的是,太阳内核的质子太多,总量相当大 。然而,由于氘转化速度较慢,太阳也非常“耐烧” 。

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接下来,会容易得多 。氘和氘将重新结合到氦三,氦三和氦三将重新结合到氦四中 。这就是著名的质子链式反应,也叫PP链式反应 。但是PP链式反应有4~5个分支,比较啰嗦,本文就不多说了 。
然后是氦成核和3氦过程,将恒星PP过程产生的氦转化为重元素,3氦反应会生成碳,然后接下来的反应会继续产生重元素:
氦过程产生碳 。
3氦气过程的“副作用”,产生氧气 。
以太阳为例,这个过程到这里就结束了,因为太阳的质量不足以在内核产生足够的温度,所以到达碳氧之后,太阳内核的聚变反应停止,内核停止反应,之前膨胀的红巨星态外围会逐渐远离形成行星状星云,而内核则会失去辐射压力的支撑,坍缩成白矮星 。
一个和地球差不多大的白矮星 。
质量比太阳大的恒星,比如质量是太阳8~10倍的恒星,会继续核聚变,这个过程会经历以下反应,从氦核开始到镍:
请注意,镍将直接诞生在恒星内部,而不是铁!但是为什么说恒星聚变最终会变成铁呢?实际上,没错,因为镍-56会通过电子俘获衰变为钴-56,最后衰变为铁-56:
镍-56的半衰期为6.02天,贝塔衰变为钴-56(半衰期为77.3天),最后衰变为铁-56 。
不过需要提醒的是,一般在这个时间节点之前,一颗恒星就已经发生了超新星爆发,所以爆炸后它会在星云中继续衰变 。所以说恒星聚变只能产生铁并不是很准确,但也没有太大的错 。注:太阳的主要能源是质子链式反应,另一个能源是碳氮氧循环 。但在类太阳恒星的中期,其内核温度不足,碳氮氧循环的能量只占1.7%,但在较大的恒星中,碳氮氧循环是主要来源 。

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为什么铁不能再熔断?
在这个问题上,我们必须理解一个问题,那就是元素的结合能 。聚变是在原子核的尺度上进行的 。结合能等于质子或原子核形成新的原子核时释放的能量,或者是将原子核分解成游离的未结合质子或原子核所需的能量 。这部分能量来自原子核内部的强大力量 。
元素或同位素不同(原子核内的元素数差或质子中子数差),元素的比结合能不同 。元素的比结合能如下:
从这条曲线中,我们可以看到几条信息:铁位于这条曲线的顶点,也就是说它的比结合能最大,这意味着这种元素从山脚落到山谷中,处于最稳定的状态 。要让它再次“熔断”,它必须给出更多的能量,比如超新星爆炸,但它不能再释放能量,而是吸收它!
另一个信息是,位于左右两侧的元素在向中间偏移时可以释放能量,但从曲线的陡度来看,左侧(聚变)明显高于右侧(裂变),这也是氢弹释放的能量远高于原子弹的主要原因之一 。

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比铁重的元素来自哪里?
上面的过程大致描述了铁之前的元素是怎么来的,但是金、银、铂以及更重的铀等那么多元素是从哪里来的呢?有两种来源,一种是慢中子俘获,另一种是快中子俘获;
慢中子俘获过程
其实两者都是中子俘获过程,原理其实挺简单的,和你所知道的中子嬗变类似,就是原子核遇到中子撞击俘获后,有两个过程,一个是变成这种元素的同位素,另一个是如果同位素不稳定,中子会发生衰变,变成质子,此时元素数为1,就是产生原元素胶中的元素,这就是S过程 。


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