為什麼恆星產生鐵就會死亡?

弄潮科學


鐵被稱為核灰燼,即鐵元素就是核裂變和和核聚變的終點,要想知道其中的原因需要先從結合能講起。

結合能最早在化學中都有所瞭解,化學中如果想把分子分散成單個原子所需要的能量就叫做化學結合能,把原子核拆成單個核子所需要的能量叫做原子核結合能。


把原子核拆成單個核子的過程是一個消耗能量的過程,相反的,單個核子結合能原子核的過程是一個釋放能量的過程。

圖釋:平均結合能曲線

所以核反應過程是否能夠釋放能量關鍵在於對比原子核拆分和重新組合成原子核這兩個過程中,到底是吸收的能量多還是放出的能量多。而鐵元素的平均結合能是最大的,即想要將鐵原子核參與核反應過程時總是吸收的能量大於放出的能量,所以核反應反應到鐵就是終點,無法自持下去。

依據愛因斯坦質能方程也可以解釋,重核裂變過程是一個質量虧損的過程,輕核聚變的過程也是個質量虧損的過程。

重核裂變後形成的碎片還可以繼續裂變,輕核聚變後形成的碎片還可以繼續聚變,但是當裂變和聚變都不可能一直無限制的進行下去,分界線就是鐵,因為鐵的平均核子質量是最低的,參與核反應後質量不會再繼續發生虧損,即無法再繼續釋能。

圖釋:核子平均質量

以上就是“老鐵穩”的原因,今天的科普就到這裡了,更多科普歡迎關注本號!


核先生科普


當我們談及這個問題時,其實本身就是一個問題。

關於恆星演變的過程,如果可以不斷地聚變下去,我指的是恆星有足夠的引力、使內部不斷提供聚變的條件,那麼恆星最後會變成一顆鐵星,原因很簡單,鐵原子的比結合能最大,翻譯過來就是,鐵原子核最穩定。

理論上,錳鐵鈷鎳之前的元素,都可以發生核聚變大,使原子核變大,比結合能變大,核子變得穩定;而錳鐵鈷鎳之後的元素,都可以發生裂變,使原子核變小,比結合能變大。

是不是很神奇?我提到的錳鐵鈷鎳在元素週期表中,排在二十五六的位置,他們的比結合能最大,原子核最穩定,而另一方面,他們都是導磁性材料的元素組成。好吧,兩者是否有關係,我們不做討論。

我們在回到現實中。太陽,時刻在發生核聚變,主要是氘核和氚核發生聚變反應生成氦核,而條件是由太陽本身的引力提供。我們目前知道的宇宙中,絕大多數星體,當然我指的就是恆星,都是發生這個聚變反應的。

按照大爆炸理論,宇宙早期產生大量的氕核(質子)氘核氚核,這些核子遍佈在宇宙中,隨同宇宙一起膨脹。而這時引力變產生作用了,這些核子會成堆的被分化聚集起來,當引力達到一定程度,聚集起來的大質量核子星體,就會發生聚變。核子燃燒,向外輻射能量,我們看到恆星發光。

一般來說,氫核聚變成氦核,氦核下一步聚變會變成碳核,碳核依然會聚變下去,直至生成鐵核,整個聚變過程恆星一直在輻射能量,也就是我們所說的一直在燃燒,變成鐵球后,沒法聚變了,燃燒停止。

筆者也曾臆想過,整個宇宙最後會全部變成鐵,後來發現,根本不可能。依照太陽的引力能力,太陽只能實現氦核聚變,根本沒有能力繼續下去,不會變成鑽石球。在我們的宇宙中,確實存在鑽石球,也就是碳核球,但鐵核球,恕我孤陋寡聞,應該是沒有。

要實現鐵核聚變,需要多大的引力,我們根本沒法想象,筆者不是這個專業的,沒法給出計算結果,也無從比較,這個引力與黑洞引力之間的差距,因為這是完全兩個不同的關於宇宙的理論,兩者之間應該是不能兼容的(有待商榷)。

最後,我們再來說下比結合能。在輕核發生聚變時,反應後核子的質量變少,輻射出能量,減少的質量與輻射的能量,滿足質能方程E=mc²。這是個很有意思的現象,核子的種類和數量都沒變,但偏偏質量少了。

結合能是什麼呢?我們將拆開原子核所需要的能量,稱為該原子的結合能,拆開指的是將整個原子核拆成單個核子。

而比結合能是什麼呢?我們將結合能比上核子數,稱為比結合能,代表的是原子核在拆開時每個核子平均需要的能量。比結合能越大,原子核拆開時需要的條件就越苛刻,原子核就越穩定。

好了,就說這麼多吧。


天涯掌門人


鐵56非常特殊。

作為輕核,鐵需要吸收極大能量,在極高溫度壓力之下才能聚變成更重元素,然而釋放的能量並不能彌補吸收的能量,所以鐵聚變無法穩定及持續進行。

所以,在溫度壓力不夠的情況下,初始與外來的鐵元素會因重力原因存在於恆星中心,不參與聚變。當恆星內核的聚變達到產生鐵的條件時,鐵聚變發生短暫時間就會停止,因為無法持續鐵聚變,恆星的死亡就到來。

不論是產生中子星還是黑洞,大體順序就是這樣的,聚變停止,恆星失去輻射壓,恆星內核的鐵球開始以光速向質量重心坍縮,溫度壓力隨之暴增,鐵聚變開始劇烈反應,然後又因為失去能量而停止,再次坍縮,新形成的銅等更重元素再次發生更高級聚變反應。

由於更高級別的聚變需要更高的條件,內核繼續收縮,在那一瞬間,所有超鐵元素都被聚變出來,內核則繼續壓縮,電子脫離原子,被壓入原子核成為中子星。如果內核質量超過3.2倍太陽質量,則中子也抵禦不了重力,繼續向質量重心坍縮,成為原始黑洞。

因為內核收縮的物質撞擊與反作用力,鐵及超鐵元素被拋射出去,散佈於宇宙空間。因為最終核聚變的反應時間短暫,所以,越重的元素就越稀少,這就是為什麼,金比銀少,銀比銅少,銅比鐵少的原因。


四川達州


這個問題很複雜,我慢慢來解釋。宇宙中的核聚變有兩個,一個是太初核合成,再一個就是恆星核合成。恆星中的核聚變,從氫開始聚變起,一路聚變到鐵附近為止(聚變過程及產物視恆星質量而定),聚變反應就慢慢趨於停止。氫聚變為氦,所需溫度最低,放出能量最多,反應時間最長。越往後,核聚變所需溫度越高,放出能量越少,所用時間越短。聚變到了鐵之後,恆星內部溫度已經高達幾十上百億度,核心已經堆積了大量的鐵,由於此時核聚變趨於停止,恆星外殼在萬有引力的作用下開始向核心墜落,這一過程非常複雜,有時候會引起超新星爆發,通常會導致恆星變成中子星、黑洞。


人生太短懂事太晚


恆星的晚年白矮星是氦的高壓高溫燃燒,即高壓高溫引發了惰性的氦聚變,這是三個氦原子聚核而生成一個碳原子的過程。當恆星的氫的核聚變燃燒殆盡時,恆星自生質量銳減,引力變弱,光熱膨脹為紅巨星,膨脹反作用力產生高壓高溫至一億K,於是氦聚變開始了,表現為體量較小的白矮星,直至全部實現碳轉化而暗淡下來,最終成為黑矮星。至此,燃燒了百億年左右的恆星徹底熄滅,以黑矮星的方式結束了自身閃亮的一生。😭


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不一定!恆星演變是一個很漫長的歲月,短則幾百萬年,長則上億年!恆星燃燒能量耗盡了,也是新的開始!


文話宇宙


因為老鐵穩!


毒聚一方


核子科學家發現化學元素週期表中

輕核與重核都會核反應,輕核聚變,重核裂變而56號鐵,核子聚變裂變都是最低態,是核廢料。


AUTUYG


因為鐵已經不能自己發熱,只有吸熱,內部壓力也穩定了


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