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天文学上为什么认为铁是宇宙演化的终极产物?

2021-06-16知识

众所周知,恒星靠核聚变发光,核聚变是让两个 原子核 能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核互相 聚合作用 ,生成新的质量更重的原子核。

如氢原子聚变成氦,氦再聚变成锂 然后是铍硼碳氮氧氟氖钠镁铝硅磷硫氯氩钾钙钪钛钒铬锰,到铁时 【大部分的】 聚变反应就不能进行了。其实 不是所有恒星都只能聚变到铁 ,在特大质量恒星演化的晚期,其实恒星内核中就会出现一些原子序数比铁高的元素原子核,比如:元素锌, 只是含量很少很少而已。

那为什么大部分聚变反应到铁就停止了呢?这是因为铁原子核最稳定。

这该如何理解呢?在自然界有个趋势,变化的过程基本上都是从高能量状态流向低能量状态,这就好像水往低处是一个道理。如果我们要在元素周期表中找到一个最稳定的原子核,那这个原子核就是铁原子核。铁原子核之所以最稳定,是因为铁原子的 比结合能 最高。铁之前的原子核的比结合能,基本上是随着原子序数的提升, 到达铁时是最高的,然后这之后就会逐渐下降。

因此,在自然界中,铁之前的元素原子核都会聚合的趋势,铁之后的元素都有裂变的趋势,两者其实都是释放能量的过程。所以,原子弹虽然用的是核裂变反应,但实际上威力也不少。其实整个过程中也损失了质量,这部分质量以能量的形式扩散出去了。

要让铁原子核,甚至包括比铁元素序数更大的原子核,发生核聚变发生反应并不是可以。关键是,铁原子核的反应就需要吸收大量的能量,而释放出来的能量远远小于吸收的能量,所以这是一笔赔本买卖,并不符合能量从高往低的趋势。

要让这个反应进行,就需要极为苛刻的条件,并且输入足够高的能量。

这个过程在自然界这种现象是很少见,但并不是说不存在。质量是太阳质量8倍以上的特大质量恒星在演化的晚期由于巨大的引力,就会促发铁原子核的核聚变反应,爆发超新星爆炸,同时产生大量的高顺位的原子核,超新星爆炸的亮度甚至可以达到一个星系的亮度。

也就是说, 核聚变并不局限与铁元素之前。

实际上,铁之后的元素也是通过核聚变产生的,只是反应条件很苛刻,所以很少见,在宇宙中的含量也很低。

参考:

核聚变_百度百科

为什么有人说核聚变到产生铁元素时就停止了?