恒星核聚變到鐵元素就停止了,更重的元素是怎麽形成的?

宇宙時空探索 2024-02-03 10:59:15

我們每天看到的豐富多彩的世界,都是由基本的元素構成的。不過在宇宙剛誕生時,是沒有任何元素的,當時的宇宙只是純能量,隨著宇宙逐漸冷卻,在四大基本力的作用下,最基本的粒子出現了,這些粒子經過漫長的演化,形成了各式各樣的物質。

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在宇宙初期,只有兩種元素,氫和氦,其中大部分都是氫,氦元素只有一小部分。而如今我們看到的天然元素有92種,還有很多人工合成的元素。這麽多的元素到底是怎麽形成的呢?

一切都源于恒星,恒星堪稱元素的“煉丹爐”!

剛才講了,宇宙誕生初期只有基本粒子,在相當長的一段時間裏,沒有任何天體,當然也沒有恒星。而原始恒星的誕生,得益于宇宙裏物質分布的不平衡,還有溫度密度的差異。

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基本粒子出現之後,就會出現萬有引力。如果基本粒子之間的分布都是很均勻的,意味著粒子之間的引力也是完美平衡的,在這種平衡狀態下,粒子就不會向某個方向聚集。

不過,宇宙中粒子的分布不可能是完美均勻的,溫度密度也會有差異,而這種差異就會造成引力的不同,某個區域引力較強,就會吸引更多的粒子,不斷聚集在一起。

聚集在一起的粒子,比如說氣體雲分子,質量會越來越大,引力也會更強,自然會吸引周圍更多的氣體雲。結果就像滾雪球那樣,氣體雲分子不斷向某個中心聚集,速度越來越快,質量越來越大,自身引力也會越來越大。

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到了某個臨界點,自身引力達到一定程度,核心溫度壓強非常高,就會發生一個宇宙大事件:核聚變,其中的氫元素就會被點燃,聚變成氦元素,同時釋放出巨大能量。

恒星的核心溫度是非常高的,拿我們的太陽爲例,核心溫度就高達1500萬度,而有些大質量恒星的核心溫度甚至可以達到十億度。在高溫高壓下,氫元素聚變成氦,釋放出超級能量,釋放出的能量會産生強大的外推力,與恒星自身的引力保持平衡,阻止恒星一直向內坍縮,這也是恒星能持續燃燒數十年的原因所在。

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當氫元素耗盡之後,氦元素會繼續聚變成更重的碳,然後是氖,氧,硅,一直到鐵元素,一層一層的,元素的分布就像洋蔥一樣。

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不過,恒星核聚變到鐵元素就戛然而止了,不管恒星的質量有多大,到鐵元素都會停止。這到底是爲什麽呢?

我們先看看核聚變的過程,其實就是核子,也就是也質子和中子不斷增加,結合在一起形成更大核子的過程。不過要想讓質子中子結合在一起,需要極大的能量,這種能量其實就是核能,具體表現爲核子之間的強相互作用。

我們可以反過來理解,如果想要把原本在一起的質子中子分開,是很困難的,需要極大的能量,而這種能量就是核能,在物理學上也被稱爲“結合能”,顧名思義,就是結合在一起的能量。

而比結合能就是結合能與核子數量的比值,類似GDP與人均GDP的關系。

比結合能越大,意味著原子核越穩定,通俗理解就是,要想把核子分開就更困難,需要更大的能量才行。

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在所有元素當中,鐵元素的比結合能是最大的,鐵元素是最穩定的。可以通俗理解爲鐵元素是所有元素中的“老大”。

鐵元素之前的元素發生核聚變都會釋放能量,而要想鐵元素繼續聚變下去,其實也不是不可以,只是非常難。更重要的是,鐵元素聚變不但不會釋放能量,反而需要吸收能量才行。這也是我們爲什麽說,恒星一旦聚變到鐵元素,就“鐵了心”地朝著死亡的方向走去,因爲一顆需要吸收能量才能聚變的恒星,其實已經不能算是恒星了。

往深了講,只有能量強大到讓鐵原子核分開,才能引發鐵元素繼續聚變下去,這種能量不是一般的強,只有異常猛烈的宇宙大事件才擁有如此強大的能量。

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這個宇宙大事件就是超新星爆發,該爆發是宇宙大爆炸之後最猛烈的宇宙大事件,超新星爆發的短短幾秒內釋放的能量,就遠超太陽一生釋放能量的總和!

超新星爆發通常是在大質量恒星走向死亡的過程中誕生的。上面我們講了,恒星之所以能保持長時間的穩定,主要就是兩種力量的平衡:核聚變産生的外推力,還有自身産生的萬有引力。

當恒星聚變到鐵元素之後,核聚變戛然而止,沒有了核聚變産生的巨大外推力,自身的引力占據了絕對上風,在引力作用下,于是恒星物質開始瘋狂向內坍縮,不斷猛烈撞擊恒星內核,在撞擊過程中産生了超乎想象的能量,這種能量足以引發鐵元素繼續聚變成更重的元素,比如說我們平時看到的金銀等重金屬元素。

由于恒星物質撞擊內核的過程足夠猛烈,産生了巨大的反作用力,把恒星外層物質猛烈地抛灑到浩瀚星際空間,這就是超新星爆發,該過程對于宇宙演化來講非常重要。因爲抛灑到星際空間的恒星物質,會成爲下一代恒星和行星的原材料。

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我們的太陽就是原始恒星爆發之後的原材料形成的,科學家們認爲太陽至少是第二代恒星,也可能是第三代恒星。

以上就是重元素的由來,恒星核聚變誕生了比鐵更輕的元素,而超新星爆發這種大事件誕生了更重的元素。

我們要感謝感謝那些宇宙大事件,如今我們身上穿戴的各種黃金首飾,其實都是在數十億年前的猛烈超新星爆發中誕生的。不得不感歎宇宙的浩瀚和神奇!

完!

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宇宙時空探索

簡介:用通俗的語言诠釋科學