为什么恒星核聚变到铁元素就进行不下去了?

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就像我们的太阳一样,所有恒星都是通过核聚变来发光发热的,这是因为聚变的过程中会释放能量,恒星通常都是从氢元素开始聚变,由氢元素聚变成氦元素,通常为四个氢原子聚变成一个氦原子,但是巨变之后的氦原子比4个氢原子的质量要小,这说明在这一过程中会有质量损失,而损失的质量正是转变成了能量。



通常大质量恒星从氢元素开始聚变成氦元素之后,会顺着元素周期表一路向上聚变,因为氦元素可以聚变成锂元素,接着铍元素,硼元素等一直聚变下去,直到出现铁元素的时候,这个恒星的死亡时刻就会到来,因为一旦铁元素在恒星内部开始出现,就代表着超新星爆发要开始了,这颗恒星会发生剧烈的爆炸,之后转变成一颗中子星或者黑洞。


那么为什么进行的铁元素的时候,恒星内部的核聚变就不能再进行下去了呢?原因说起来也简单,就是铁之前的元素再聚变成铁元素的时候已经不是能量释放状态了,而是需要吸收能量才可以做到。

为什么铁之前的元素聚变的时候可以释放能量,但是铁元素就不能再释放能量而需要吸收能量了呢?这里就必须得说一下中子的形成了,当一个质子和一个电子合成中子的时候,它是需要吸收能量的,因此中子的质量通常要比一个质子和一个电子相加之和要大。



铁原子的构成是26个质子26个电子和30个中子,合成如此多的中子需要吸收大量的能量,因此合成铁元素需要吸收的能量已经超过了低级元素据变成铁元素原子核释放的能量,所以当恒星内部出现铁元素的时候,就代表着这颗恒星内部需要吸收的能量已经超过了其释放的能量。


当恒星内部不再释放能量的时候,它的内部辐射压将陡然减少,巨大的引力压缩之下,所有的物质都会向核心集中,因此恒星塌缩现象就发生了,而且这样的事情只发生在一瞬间,巨大的质量会将恒星的中心元素进一步聚变,所以这一瞬间也会产生铁以及铁以上的很多元素,而且这些元素都是需要吸收能量的,恒星的中心会产生1000亿度的高温,在剧烈的高温高压之下就形成中子星,而当中子星形成之后,继续坍缩的物质撞击到中子星的表面就会被反弹出去,从而也就会发生剧烈的超新星爆发现象了。


如果恒星中心但温度更高压力更大,温度超过3000亿度,那么很可能就会产生黑洞了,产生黑洞的超新星爆发的时间通常都很短暂,因为黑洞会迅速吸收发生超新星爆发的恒星的物质,几乎会将整个恒星都吸入其中。


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谢邀。恒星核聚变到铁元素就进行不下去了,其根本原因还是恒星的质量太小了,铁元素的形成是行星形成内核的关键,我们以太阳系中的太阳为例子;再经过50亿年,太阳中的氢元素被消耗完,其内核慢慢地从氢变成氦,这是开始燃烧氦元素,同时其尺寸将膨胀达到火星轨道,变成一颗红巨星,如果连氦元素也燃烧完了,那么恒星的外层就开始消散,只留下内核本身,从而变成和地球一样大的白矮星。


1:由于质量不够大,白矮星内部只能产生元素周期表中铁以前的元素,这时太阳就成了宇宙中的一颗死星。现在开始扩大质量,如果恒星的质量是太阳的40倍或更高,那么以上的过程就会更加迅速,此时恒星叫做超红巨星,恒星内部自然可以产生铁元素以前的元素,并且是一颗混合星,但是当产生元素的进程到达铁元素时,熔合过程不能产生大量能量,经过几十亿年后这个巨大的核熔炉就会关闭;

2:但此时的恒星质量还是非常大,在巨大的引力下,恒星内部开始坍缩,电子将倍被压进原子核,这时恒星的密度是水密度的4000亿倍,温度将达到万亿度,由此恒星开始爆炸形成超新星,巨大的热量将合成铁以后的重元素,这就是重金属元素的形成过程。



在这里我们可以想到,地球上有大量的铁矿石,在地球形成之前,就有一颗已经死亡了的超新星,其抛出的陨石碎片内含有铁矿石,然后被太阳的引力俘获形成今天的地球。所以,地球上的重金属元素基本都是死亡的恒星合成的,只有当恒星的引力大到可以将电子压入原子核时,恒星的核聚变进程才能持续到铁以后的元素。


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这个涉及的能量的释放和吸收问题。以铁原子为界限,原子序数小于铁的核聚变是释放能量的,此时的核聚变称为氢核聚变,也称为热核聚变。恒星释放光热能量,发生的就是可控热核聚变。



而大于等于铁核聚变的核聚变是吸热的,属于重核聚变。在恒星星核内,氢核聚变的末期,已经产生了很多的重核(铁核),这个时候下,可反应的氢核数量较少,释放的核能量也较少。或许这时候释放的能量可以支持少量的重核发生核聚变,但是随着氢核的完全反应,已经没有能量支持重核反应了。所以,恒星的核反应也就聚变到铁核为止。当然了,这个过程中还是有少部分比铁核重的元素形成,要不宇宙中怎么会有铁核以上的元素呢?



当然,更重的元素,就需要极端的天体事件才能形成。例如金元素,据猜测就是在中子星合并已经超新星爆炸的时候产生的,因为只有这种极端环境下,才有足够能量和压力,支持重核聚变产生重金属元素。


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用一种简单的方法解释吧,其实实际上比这个复杂得多,所以这种方法解释估计不是太对。

粒子的组成很复杂,但简单来说常见基本粒子就三种,中子、质子和电子。质子带正电,电子带负电,中子中性,就重量来说中子最重,几乎就是质子加电子的重量。那么,是不是质子和电子合成就可以是中子了?可说是,也可以说不是。中子分解的话,生成一个质子,一个电子,还有一个中微子。质子和电子合成的话,直接吸收足够能量就变成中子。原理复杂,但是根据质能守恒记住,中子>质子+电子。

好了说正题,恒星聚变反应,极其复杂,并不是教科书上简单描述的两个氢变一个氦那么小清新。不考虑温度和各种高速。基本你可以理解成为汪洋大海般的中子、质子、电子和其他粒子海洋里,飘着几个成型的原子核。其中的中子、质子、电子还在不断的组成更多的原子核。与此同时,中子、质子、电子也在不断转化,中子分裂,放出能量,合成中子吸收能量,保持一个平衡。

对于小核原子来说,捕捉中子比较困难,原子构成中氢最常见的是氢1,也就是氕,原子核只有一个质子,正常配对一质子一中子的氢2,也就是氘自然界已经很少了,氢3氚地球上直接没有。到氦以后正常点,一比一配对是主流了。但是原子越大,捕捉中子的能力就越强。大家都听说过铀235铀238吧,这是铀最主要的同位素,但是注意,铀只是92号元素,只有92个质子,按一夫一妻制法律规定,铀应该是铀184,但是可惜,这东西不存在。铀最常见的,就是铀238,整整多了54个小三。

我们再次回到聚变,在生成越来越大的原子核的过程中,每次组成更大的原子核都会放出能量,要是每次都只用同比例的质子和中子组成原子核,那粒子海洋里没什么变化,反应持续产生,恒星发光发热。但是原子核越来越大之后,每次合成,质子拐带的小三中子就越多,粒子海洋里中子比例减小,平衡被打破了。平衡一旦打破,同样时间里合成中子的速度就会高于中子分解的速度。前面说过,合成中子吸收能量,于是,粒子海洋降温了。恒星是气态的,靠高温高压不被引力压塌。一旦降温,恒星末日就到了,开始塌陷。根据恒星大小,最后小的变为矮星,慢慢缩小冷却成一个金属球,大点的超新星爆发成为中子星,更大的成黑洞,但是不管变什么,都不是恒星了,恒星的临界点在降温塌陷那一刻。理论上讲,也就在合成出铁元素的时候,恒星开始降温了。所以可以说,铁元素是恒星最后能聚变产生的物质。

但是现在在超新星爆发中发现了比铁重的元素,不过,那已经不能算恒星了吧。


黑夜0166


恒星核心聚变到铁元素的时候,释放的能量不足以让铁元素继续进行聚变反应,也就是说此时的核聚变是一种“吸热反应”,导致核心的辐射压力不能抵抗重力,恒星核心进一步收缩,达到1.4倍太阳质量的时候,电子简并力无法再抵抗重力,铁核心突然崩溃急剧收缩,温度瞬间上升到几十亿度,涌出大量高能中微子,将铁原子核炸裂并分解成质子和电子,压力急剧上升,瞬间又把电子挤压进质子内变成中子,于是一个中子化核心形成。恒星外层物质在重力作用下以30000km/s的速度坠向中子化核心并反弹形成冲击波,将整个恒星外层全部炸碎吹散到宇宙中,形成II型超新星爆发,留下一个高速旋转的中子星(脉冲星)。


老卡2017


原因很简单,铁聚变释放的能量小于使其发生聚变所需的能量。

也就是说它越聚变恒星的能量反而越小了,这样就没有产生能量来抵御引力坍缩,所以恒星直接就坍缩了。

元素核聚变产生的能量来自质量亏损,元素越轻,核聚变产生的质量亏损越大,也就是产生的能量越大。而元素越重,原子核所包含的质子越多,由于电磁力的同性相斥,因此越难发生聚变。越重的元素,需要点燃核聚变的温度越高,产生的能量转化的温度越低,到了铁,刚好就产生核聚变所需的能量刚好大于核聚变释放的能量。


星宇飘零2099


聚变能释放能量,但是产生聚变也需要能量。氢的聚变仅需要很小的能量而释放出能量远比吸收的能量多得多,随着聚变向重元素延伸这种比值越来越小,直到铁元素产生聚变的能量与释放的能量平衡,如果聚变继续向高元素走则产生的能量小于吸收的能量所以聚变不能继续。


唐文耀1


一般聚变和裂变都会放出能量,然而聚变和裂变是相反的反应,而且聚变是轻的原子聚变成重的原子,裂变是重的原子分开成轻的原子。如此这两种反应会有一个中间点,比如所有元素排在一根直线上,能聚变的原子在左边,能裂变的原子在右边,铁就正好在中间点。自然界的物体自发的都是往能量低方向变化,铁就是能量最低点。所以到铁就停止了


迷失47202257


在鉄以下原子的聚变反应,都是减少质量,放出能量。铁以后则相反。因此达不到链式反应所需要的温度。当然和裂变反应一样,这里也有个概率问题。一群多核原子受到一束快中子轰击,并不是形成完全一样的碎片。聚变反应时,一些核子捡到局部的能量漏,会形成一些比铁原子重得多的原子。


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