為何恆星核聚變到鐵元素就停止了?更重的元素如何產生的?

2019-12-08     科學書屋

鐵元素後,核聚變依然能進行。只是聚變將不再釋放能量,而是吸收能量。

所以恆星內的核聚變當聚變到鐵後(準確的說應該是鎳-62,但鎳最後都會變成鐵),因為不再釋放能量,恆星的平衡被打破,核聚變也就進行不下去了。

為什麼鐵之後的聚變要吸收能量?因為鐵的比結合能最高。

解釋比結合能前,先了解什麼是結合能?

原子核是核子憑藉核力結合在一起構成的,要把它們分開,也需要能量,這就是原子核的結合能(binding energy)」――摘自人教版高中物理選修3-5教科書。

結合能不是元素原子核擁有的能量,只是要拆開(裂變)或組合(聚變)原子核時需要吸收或釋放的能量。原子核里核子數(質子與中子都是核子)越多,結合能越高。

而比結合能=結合能÷核子數,也叫平均結合能。結合能與比結合能之間的關係,相當於GDP與平均GDP之間的關係。

就像GDP再牛也沒什麼意義,主要得看平均GDP一樣,所以核聚變的重點是看比結合能而不是結合能。

鐵的比結合能最高,意味著鐵是最穩定的元素。

由於鐵元素最穩定,所以如果還要往鐵原子核裡面擠核子(聚變)就會變得很困難,所以要消耗大量的能量。

上圖是元素比結合能曲線圖(很多引用說成結合能是錯誤的,一字之差完全不一樣)。從這個圖你還可以知道為什麼氫彈(氫聚變)比原子彈(鈾裂變)威力大。

其實還可以通過愛因斯坦的質能方程:E=MC²,來解釋鐵之後聚變為什麼會吸收能量。

因為鐵之前的元素,也就是輕元素的聚變會損失質量,所以釋放能量,而鐵之後的元素,也就是重元素聚變會增加質量,所以會吸收能量。

為什麼吸收能量,恆星內的核聚變就進行不下去了?

因為恆星是引力與核力之間微妙平衡的產物。

核聚變釋放能量對外形成壓力,與恆星自身引力平衡,恆星才能穩定存在。

從氫元素開始,引力的壓縮使得恆星內部達到了開始聚變所需的高溫,核心先吸收能量再聚變釋放出更大的能量,釋放的能量再為下一次聚變提供能量再釋放,循環往復。

但當恆星內部發生鐵聚變時,不僅不會釋放能量,還會迅速消耗掉恆星的能量,造成恆星坍縮然後引發核爆炸,就是超新星爆發。

而最小規模的超新星爆發所釋放的能量比太陽100億年中放出的能量總和的100倍還多。

強大的能量瞬間在宇宙中形成一個超級反應爐,聚變出所有的元素,包括鐵以後的重元素。

然後在恆星的原地會出現一顆中子星或黑洞。

總結一下

恆星一旦鐵了心想死,攔都攔不住。

在科學界,鐵聚變被稱為「恆星殺手」,終止的是恆星內的核聚變,但開啟的是生命起源的超新星爆發,反而加速了宇宙產生所有元素並拋撒元素的進程,把孕育生命的時間大大縮短,不然又怎麼會有今天的地球,和地球上的我們。

文章來源: https://twgreatdaily.com/BFgl5W4BMH2_cNUgZ61Q.html