03.03 核聚變到鐵就停止了,那麼宇宙中比鐵重的元素都是怎麼來的?

無論各位信還是不信,宇宙的元素除了氫元素、氦元素以及鋰元素之外,其他都是恆星在演變的各個階段中形成的,所以在小學的課外讀物中您也會看到“恆星大工廠”這個說法,而事實上一點都沒有錯,幾乎所有的元素,都是由恆星製造出來的!

核聚變到鐵就停止了,那麼宇宙中比鐵重的元素都是怎麼來的?

宇宙誕生時形成的幾種元素,氘元素即氫的同位素,它屬於氫元素!不同質量的恆星能形成的重元素階段是不一樣的,因為核聚變時,氫元素以後的元素,結合時要求的溫度也越高,低質量的恆星無法達到如此高溫,那麼只能由能超新星爆發的大質量恆星形成!

核聚變到鐵就停止了,那麼宇宙中比鐵重的元素都是怎麼來的?

但無論多大質量的恆星,其內核有多高的溫度,但在恆星階段到鐵-56就停止了,因為鐵-56是最穩定的元素,而此時的恆星結構非常奇特,有內而外形成了洋蔥結構的多層元素結構!但此時的恆星結構是非常不穩定的,自由中子也會在其他元素捕獲而形成更重的元素,但所佔比例並不高!

核聚變到鐵就停止了,那麼宇宙中比鐵重的元素都是怎麼來的?

鐵-56之前的元素在核聚變時都能釋放能量,而鐵-56之後的元素,如果要讓其聚變成更重的元素時需要吸收大量能量才能形成!

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上圖是元素的比結合能曲線圖,可以看到鐵-56在峰值處,結合能是將原子核中的質子與中子分開的能量,比結合能是結合能與核子數的比值,越高表示這種元素越穩定!

但此時恆星的內核已經無法再聚變,早期膨脹出去的外殼在失去輻射壓支撐後,將在巨大的壓力下快速向內核坍縮,其巨大的撞擊能量將直接導致恆星超新星爆發,而這些巨大的能量將給予了重元素形成足夠的條件!但超新星爆發並不是重元素的最主要來源,而在中子星合併才是重元素甚至超重元素的最主要來源!

前面我們說到了在恆星演化末期,極不穩定的恆星內核中,鐵-56捕獲中子形成更重的元素以及超新星爆發形成重元素,那麼我們再來簡單說一下這個形成過程,這個分為兩種情況,第一是恆星演化末期的慢中子捕獲生成重元素,另一種是超新星爆發時形成重元素。

一、慢中子捕獲形成重元素;

慢中子俘獲過程也稱為S-過程,發生在恆星演化末期超高溫內核中,此時中子會被鐵-56俘獲形成鐵-57,之後鐵-57釋放一個高能電子形成鈷-57,而鈷則繼續通過慢中子俘獲過程形成更重的元素!

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S-過程在Ag到Sb的範圍內的流程。

二、快中子捕獲形成重元素;

快中子俘獲過程發生恆星的超新星爆發階段,被稱為R-過程,鐵-56元素進行連續的快中子捕獲生成重元素,快中子捕獲形成的重元素佔恆星形成的重元素一半以上!

無論是哪種過程,鐵-56都是最原始的種元素,重元素都是以鐵為種元素的中子捕獲過程中生成!

核聚變到鐵就停止了,那麼宇宙中比鐵重的元素都是怎麼來的?

R-過程

而另一個重元素形成的過程中子星合併則是中子星結構崩潰後中子衰變成質子、電子、反中微子和光子,在中子星合併的強大能量中質子與中子生成大量重元素!另中子星外圍也存在大量的鐵元素(因為並不是整顆中子星都是中子星物質),這個過程與S-過程和R-過程一致!

核聚變到鐵就停止了,那麼宇宙中比鐵重的元素都是怎麼來的?

元素的形成,只要條件合適瞬間即可完成!

但關鍵就是這個條件,即使是創造最為容易的元素氦,人類為實現這個條件已經花費了數百億美元,但到現在為止還不能穩定的生產氦元素,當然這是廢話,因為我們要的並不是氦,而是在這個過程中釋放的巨大能量!現在能夠做到並大量應用的僅僅只有裂變,這種捕獲一個自由中子後的原子核分裂行為也會產生大量的能量,缺點是質量虧損低(約0.093%左右,聚變為0.7%左右),還有巨大的放射性汙染,還會產生核廢料!

核聚變到鐵就停止了,那麼宇宙中比鐵重的元素都是怎麼來的?

革命尚未成功,通知仍需努力,繼續奮鬥吧騷年!


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