为什么恒星核聚变到铁元素就进行不下去了?

绿叶菜719


答:主要原因,是铁元素继续聚变的条件,在恒星的主序星时期和红巨星时期是达不到的!


我们太阳属于中等质量恒星,目前处于主序星时期,主要进行着氢元素向氦元素转变的过程。



在未来,当太阳的氢元素转化到一定程度后,太阳内部的温度继续升高,然后就会点燃氦元素,向氧元素和碳元素转化,进入红巨星时期。

以太阳的质量,就不能继续转化了,在红巨星时期,太阳把最外层的物质吹向四周,形成行星状星云,最后留下一个致密的内核成为白矮星。


对于更大质量的恒星,在完成碳、氧、硅元素的聚合后,会继续进行聚变反应,直到生成铁元素为止,铁元素的生成意味着恒星开始死亡。

铁原子的核子结合能是最高的,也可以说:铁原子的平均核子质量最小,所以铁原子最为稳定。



但这并不意味着铁元素不能继续聚合。

要点燃铁元素,需要接近100亿度的温度,而且铁元素继续聚合需要吸收能量,这样的反应条件在恒星内部是达不到的。




只有在一些极端事件,比如超新星爆发、中子星合并等事件中,才能生成比铁元素更重的元素。然后随着爆炸被抛出,形成其他行星类天体。





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艾伯史密斯


关于这个问题,需要了解什么是比结合能。除了氕原子核外,其他原子核均是由质子与中子(统称核子)通过强核力结合在一起。为了使原子核中的核子分开,需要克服它们之间的强核力,对应所需的能量被称为结合能。把原子核的结合能比上核子数(质子和中子数之和)就是比结合能,比结合能越高,原子核越稳定。各原子核的比结合能如下图所示:

从上图中可以看到,铁-56的比结合能在所有原子核中最高,这意味着它最为稳定,它很难发生核聚变,也很难发生核裂变。比铁更小的原子核发生核聚变之后,结合为更重的原子核,其反应释放出的能量大于吸收的能量,所以这种放热反应很容易进行下去。但到了铁核聚变之时,其反应释放出的能量则会小于吸收的能量,所以这种反应会不断消耗能量。

对于那些最初质量在太阳8倍以上的恒星,它们的核聚变从氢核聚变开始,能够持续合成重元素。通过核聚变反应产生的巨大能量来对抗自身的引力坍缩,恒星能够保持平衡的状态。但一旦开始铁的核聚变反应,恒星内部的能量会被大量消耗,从而迅速导致恒星内部失衡,在引力坍缩的作用下而发生超新星爆发。因此,恒星核聚变到铁元素并不是进行不下去,而只是铁的核聚变很快会引发恒星毁灭。事实上,通过氦核作用,铁还能进一步聚变为镍:

在超新星爆发的过程中,铁还会通过俘获中子合成各种超铁元素。


火星一号


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。


人类的方向


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。


PhD肖


为什么恒星核聚变到铁元素就进行不下去了?

其实并不能这么说,如果从广义恒星的演变过程上来确认的话,所有的元素,当然除了氢元素之外,都是在恒星的不同阶段所产生的,但唯有氢,恒星不能生产,因为这是恒星的原材料!

宇宙暴涨模型(图片来自维基),大爆炸后的三分钟内,宇宙的温度降至10亿度,宇宙中最基本的元素氢和氦形成,从此开始经过了黑暗时代后的宇宙将是恒星的天下,但各种生成条件不一样,恒星的寿命与过程是不一样的,这个从物质的聚变合成条件中可以看出!

上图中右侧的数字太阳质量的倍数,很明显我们的太阳只能到碳氧后就寿终正寝了,二更大的恒星则可以走得更远,但质量再大的恒星到了Si聚变成铁以后.....就结束了,因为铁以后的元素聚变不但不能释放还要吸收能量,那么仅仅凭借此时内核的温度与条件是远远不够的,当然在这个聚变成铁后但在超新星爆发之前的恒星内核过程是非常复杂的,比如会生成及少量的钴、镍、铜、锌,但锌已经是最终产物了,恒星中不可能生成比这个更后的元素了!

上图中铁元素就是顶点

在锌(原子序号30)的元素就只能在超新星爆发获得的巨大的能量中形成了,但也并不是所有的重元素都能在超新星爆发中合成,比如黄金等,极高质量的超新星会形成极少量的金元素,但更多的是在中子星合并过程中大量产生,据称上次LIGO检测到的引力波的那次中子星合并,估计其合成的黄金超过地球质量.....

恒星的命运

太阳的未来就是白矮星,太阳也形成不了黄金,即使有也是他继承的......

太阳的光谱成分表明它至少是二代天体!


星辰大海路上的种花家


原先年轻时候的恒星是依靠着氢核聚变,过程是这样的,在它出生的时候,原始恒星内部的温度是逐渐变高的,温度高到了一定程度之后,原子破裂,电子跑了出来,原子核裸露在外,当温度进一步增加,原子核移动的速度加快,这样就克服了原子核之间的库仑力。

几个原子核“砰”的撞在了一起,在如今的太阳中就是这样的局面,4个氢原子核“砰”撞在了一起,形成一个氦核,并释放出能量,产生辐射压,抵抗自身引力收缩。

现在太阳核反应区里的温度稳定在了1500万摄氏度左右,氢原子核只管继续撞击就行,当原料用完了,咋办?中心全是氦核了,咋办?

没了能量了,引力收缩要占据上风了,恒星要收缩了,刚一收缩没多点,核心温度因为收缩而升高,那么氦核聚变反应的条件达到了,这样恒星又可以快乐的抵抗自身引力收缩了。

就是这样,不同的核聚变反应在关键时刻进行交接,继续通过核聚变反应释放能量抵抗重力收缩。

可是大质量恒星到了硅聚变时,当硅全部聚变完成时,这时候,大质量恒星核心处可都是铁-56了,这玩意可与之前的弟兄们不同,它聚变的条件太高了,想要聚变就得吸收更大更大的能量,因为它的比结合能最大,意思就是说,想要把它的原子核给拆开,需要费最大的力气。

现在的恒星本就已经苟延残喘了,抵抗自身重力收缩都来不及了,哪还有多余的能量供你铁核聚变啊,完了,大质量恒星没有能量来源了,瞬间,一刹那间,所有物质猛地砸向了中心的铁核,这导致了铁核压力越来越大,中心物质密度越来越高。

而那些砸向中心的所有物质由于触底反弹,以接近光速的十分之一速度被抛射出去,这就是超新星爆发,而爆发过后,原本的恒星中心核已经成为了中子星或者是黑洞。


一枚游戏科幻迷


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。


零维立方体


打个比方 你借钱给别人 abcdefg都是有借有还 虽然利息一个不如一个还得多 但到了h这里 他也是有借有还 但还的还没本金多 借出去100还你80 慢慢你的公司就没流动资金然后破产了


葱饼虾


这个很简单,就是元素周期表到了铁的这个位置,全部质子的电场排斥力 已经接近质子与中子的核吸引力.

核子数少时,质子数量小,正电场斥力大大小于核子引力,这就是氢可以聚变反应产生氦,释放出巨大的能量,而要让氦分解为氢则要输入巨大的能量.

同理,当核子总数比铁多得多时,质子的正电荷排斥就大为增强,原子核就变得不稳定,这就是为什么元素周期表的后部 大部分是放射性元素的道理.

而要想发生核裂变还得具备2个条件,一是核表面要有个"缺口″,二是要有慢速运动的中子,这样慢中子击中"缺口″,这个原子核就会被自己强大的正电场"炸″开来,释放出巨大的能量及小"碎片″,这也就是为什么元素周期表后部虽然都是不稳定的放射性元素,却只有小数元素同位素适合做核裂变的材料原因.


罗老头89


依人类目前科学水平看,根本就无法回答此问题。

而且,题目的理论成不成立也无法得知。我们知道,每颗恒星离我们人类实在太遥远了,而且,温度极高,人类无法去近距离对其进行科考,一些理论都只能是猜测,从来都没有证实过。

不过,此次我要打破常规,也来个想像性的回答!我不包真实性。我们知道,只有磁铁才有磁性,磁铁能吸引铁。而恒上的核聚变后,的确生成了铁,而且是具有磁性的铁,这种具有磁性的铁,产生巨大的磁场,吸引着整个恒星系的所有行星,并且让这些行星按即定轨道运转,不致混乱,不能离开恒星系,也不能向恒星靠近,我们的太阳,就是这个原理。至于说,为什么恒星聚变后,到铁就为止了,不是我们搞得清的,那可是微粒子学。这使得我们佩服上帝的大能。!

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