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恒星核聚变到铁元素就停止了,更重的元素是怎么形成的?

2024-02-03科学

我们每天看到的丰富多彩的世界,都是由基本的元素构成的。不过在宇宙刚诞生时,是没有任何元素的,当时的宇宙只是纯能量,随着宇宙逐渐冷却,在四大基本力的作用下,最基本的粒子出现了,这些粒子经过漫长的演化,形成了各式各样的物质。

在宇宙初期,只有两种元素,氢和氦,其中大部分都是氢,氦元素只有一小部分。而如今我们看到的天然元素有92种,还有很多人工合成的元素。这么多的元素到底是怎么形成的呢?

一切都源于恒星,恒星堪称元素的「炼丹炉」!

刚才讲了,宇宙诞生初期只有基本粒子,在相当长的一段时间里,没有任何天体,当然也没有恒星。而原始恒星的诞生,得益于宇宙里物质分布的不平衡,还有温度密度的差异。

基本粒子出现之后,就会出现万有引力。如果基本粒子之间的分布都是很均匀的,意味着粒子之间的引力也是完美平衡的,在这种平衡状态下,粒子就不会向某个方向聚集。

不过,宇宙中粒子的分布不可能是完美均匀的,温度密度也会有差异,而这种差异就会造成引力的不同,某个区域引力较强,就会吸引更多的粒子,不断聚集在一起。

聚集在一起的粒子,比如说气体云分子,质量会越来越大,引力也会更强,自然会吸引周围更多的气体云。结果就像滚雪球那样,气体云分子不断向某个中心聚集,速度越来越快,质量越来越大,自身引力也会越来越大。

到了某个临界点,自身引力达到一定程度,核心温度压强非常高,就会发生一个宇宙大事件:核聚变,其中的氢元素就会被点燃,聚变成氦元素,同时释放出巨大能量。

恒星的核心温度是非常高的,拿我们的太阳为例,核心温度就高达1500万度,而有些大质量恒星的核心温度甚至可以达到十亿度。在高温高压下,氢元素聚变成氦,释放出超级能量,释放出的能量会产生强大的外推力,与恒星自身的引力保持平衡,阻止恒星一直向内坍缩,这也是恒星能持续燃烧数十年的原因所在。

当氢元素耗尽之后,氦元素会继续聚变成更重的碳,然后是氖,氧,硅,一直到铁元素,一层一层的,元素的分布就像洋葱一样。

不过,恒星核聚变到铁元素就戛然而止了,不管恒星的质量有多大,到铁元素都会停止。这到底是为什么呢?

我们先看看核聚变的过程,其实就是核子,也就是也质子和中子不断增加,结合在一起形成更大核子的过程。不过要想让质子中子结合在一起,需要极大的能量,这种能量其实就是核能,具体表现为核子之间的强相互作用。

我们可以反过来理解,如果想要把原本在一起的质子中子分开,是很困难的,需要极大的能量,而这种能量就是核能,在物理学上也被称为「结合能」,顾名思义,就是结合在一起的能量。

而比结合能就是结合能与核子数量的比值,类似GDP与人均GDP的关系。

比结合能越大,意味着原子核越稳定,通俗理解就是,要想把核子分开就更困难,需要更大的能量才行。

在所有元素当中,铁元素的比结合能是最大的,铁元素是最稳定的。可以通俗理解为铁元素是所有元素中的「老大」。

铁元素之前的元素发生核聚变都会释放能量,而要想铁元素继续聚变下去,其实也不是不可以,只是非常难。更重要的是,铁元素聚变不但不会释放能量,反而需要吸收能量才行。这也是我们为什么说,恒星一旦聚变到铁元素,就「铁了心」地朝着死亡的方向走去,因为一颗需要吸收能量才能聚变的恒星,其实已经不能算是恒星了。

往深了讲,只有能量强大到让铁原子核分开,才能引发铁元素继续聚变下去,这种能量不是一般的强,只有异常猛烈的宇宙大事件才拥有如此强大的能量。

这个宇宙大事件就是超新星爆发,该爆发是宇宙大爆炸之后最猛烈的宇宙大事件,超新星爆发的短短几秒内释放的能量,就远超太阳一生释放能量的总和!

超新星爆发通常是在大质量恒星走向死亡的过程中诞生的。上面我们讲了,恒星之所以能保持长时间的稳定,主要就是两种力量的平衡:核聚变产生的外推力,还有自身产生的万有引力。

当恒星聚变到铁元素之后,核聚变戛然而止,没有了核聚变产生的巨大外推力,自身的引力占据了绝对上风,在引力作用下,于是恒星物质开始疯狂向内坍缩,不断猛烈撞击恒星内核,在撞击过程中产生了超乎想象的能量,这种能量足以引发铁元素继续聚变成更重的元素,比如说我们平时看到的金银等重金属元素。

由于恒星物质撞击内核的过程足够猛烈,产生了巨大的反作用力,把恒星外层物质猛烈地抛洒到浩瀚星际空间,这就是超新星爆发,该过程对于宇宙演化来讲非常重要。因为抛洒到星际空间的恒星物质,会成为下一代恒星和行星的原材料。

我们的太阳就是原始恒星爆发之后的原材料形成的,科学家们认为太阳至少是第二代恒星,也可能是第三代恒星。

以上就是重元素的由来,恒星核聚变诞生了比铁更轻的元素,而超新星爆发这种大事件诞生了更重的元素。

我们要感谢感谢那些宇宙大事件,如今我们身上穿戴的各种黄金首饰,其实都是在数十亿年前的猛烈超新星爆发中诞生的。不得不感叹宇宙的浩瀚和神奇!

完!