元素靠核聚变生成,恒星核聚变只到铁,其余92种元素怎么来的?

现在人类已知宇宙中有118种元素,元素的种类是以原子核中质子数为标准来确定的,原子核从1个质子,到118个质子,在元素周期表中排列成118种元素。铁元素在元素周期表中位列第26位。也就是说,在铁元素之后,还有92种元素。

  • 恒星核聚变的条件

何谓核聚变?核聚变就是在高温或高压条件下,氢原子核通过融合变成相对更重的原子核的过程,在这个过程会损失一部分质量,这些质量严格遵循爱因斯坦质能方程,转换成巨大能量释放出来。

现代宇宙天文学常识告诉我们,宇宙大爆炸初期,最早形成的元素只有氢和氦,还有极微量的锂,锂以后的115种元素都是没有的。宇宙大爆炸10亿年左右,原始星云才凝聚形成了恒星,从此恒星成为可见宇宙的主要组成,占总质量90%以上。

由于恒星巨大质量形成的高温高压,在核心部分会激发核聚变。由于宇宙元素主要是氢和氦,即便到现在宇宙已经有了118种元素,氢和氦在宇宙中的丰度依然占99%左右,其中氢的质量占有75%(体积占90%左右),因此所有的恒星核心核聚变都是从氢开始,逐步发展到更重元素。而氢核聚变是所有恒星维持主序星阶段的主要动力。

主序星阶段是恒星最稳定时期,占恒星总寿命的90%时间;恒星其余寿命时间发生在形成阶段和氢核聚变结束后的演化晚期,这段时间是恒星不稳定的快速变化阶段。

核聚变的条件要求很高,越重的原子核,聚变要求的温度和压力越高。恒星巨大的引力向心压力,相对降低了核聚变的温度要求,一般来说,恒星氢核聚变所需温度需要1000万K,氦核聚变温度需要2亿K,碳核聚变温度需要8亿K,氧核聚变小15亿K,硅核聚变需要35亿K。

质量越大的恒星,核心引力压力越大,温度越高,核聚变就越激烈,氢燃烧得就越快,这样寿命就越短。质量越小的恒星,核聚变就越温和缓慢,因此寿命就越长。

  • 太阳核聚变最多生成碳,大质量恒星最后生成铁

太阳核心温度只有1500万K,压力达到3000亿个地球大气压。这种温度压力只能进行氢核聚变,每四个氢核聚变成一个氦核,在这个聚变过程会亏损约0.7%的质量,根据爱因斯坦质能转换公式,释放出相应的能量。太阳核聚变每秒钟转化氢核6亿吨,融合出5.958亿吨的氦,有420万吨质量转化为3.78*10^26J(焦耳)的能量。

太阳的这些能量一方面产生巨大辐射压,抵消了引力的坍缩压力,让太阳一直维持着稳定的状态;另一方面以电磁辐射的方式,将能量传递到太阳表面,并源源不断地释放到太空,地球承接到其中22亿分之一。

太阳的主序星阶段可以维持100~110亿年。现在太阳年龄约46亿岁,寿命还有54~64亿年。太阳核心的氢烧完了,太阳大限就到了,进入衰老期,这个阶段很短,只有约1~5亿年左右。

这时的太阳会变得很不稳定,核心氢烧完,只剩下一个氦核,氦核聚变的温度和压力要求更高,太阳核心温度压力达不到氦核聚变要求,核聚变就熄灭了。没有了核聚变巨大辐射压抵消外围巨大引力压,恒星就会向内坍缩,这样就会导致核心压力和温度急剧增高,就点燃了氦核聚变。

氦核聚变的巨大辐射张力,让恒星外壳膨胀,太阳就会渐渐变成一个红巨星,半径增加到现在的250~300倍,而且外围物质不断飘散到太空,质量越来越小。

这样的过程不断发生,就依次点燃了一路向上的重核聚变。但像太阳这样质量的恒星,最终的压力和温度只能将核聚变升级到碳,就再也没有能力升级了,最终太阳外围物质散尽,核心只留下一个小小的碳球,这个碳球体积只有约地球大小,质量却有太阳一半,这就是致密的白矮星,密度可达1~10吨/cm^3。

如果宇宙只有太阳这样质量的恒星,元素就只能到碳了。碳核只有6个质子,在元素周期表里排列在第6位,如果恒星核聚变都像太阳这样,到碳结束,后面还有112个元素就没有了。

好在宇宙中还有10%左右更大的恒星,现在已知宇宙中最大质量恒星约为太阳的200多倍。恒星质量只要超过太阳8倍,核心压力和温度就可以让核聚变一路升级,一直到铁结束。

这以后,质量再大的恒星,核心核反应也只能达到铁为止了。这是为什么呢?

  • 这是因为铁56原子核的稳定性最高。

原子核中将质子中子束缚在一起的力叫强力,中子呈中性,质子带有正电,这样质子与质子之间就同性相斥,具有相互排斥的电磁作用力。在四大基本力中,强力比电磁作用力大100倍。但强力属于短程力,作用范围只有10^-15m(米),而电磁作用力是长程力,理论上作用距离无限长。

这样,这两种力就会在核子里产生一些相互制衡的微妙关系。质子排斥力虽然很大,但在原子核范围内,还是受到强力支配,被紧紧束缚在一起。这其中,中子也起到了稳定作用。一般当原子序数较小时,质子数量不多,原子核半径小,强力就起到了主导作用。

原子核强力会随着原子序数的叠加,也就是从氢元素1个质子开始,随着原子核质子数的增加,强作用力会越来越大,原子核也就更稳定;但随着原子核半径越来越大,质子的电磁作用力(排斥力)也会不断叠加。当原子核的质子数到达一个阈值,距离核心较远的质子排斥力就有可能超过强力,这样这个原子核就变得不稳定了。

这个阈值就是铁56,原子核中有26个质子和30个中子。铁56成为元素稳定的转折点,低于这个原子量的元素,是从轻到重越来越稳,到达铁56时最稳定;超过铁56的元素,随着质子数的增加,稳定性就越来越差。

因此铁是所有元素中最稳定的元素,元素越稳定惰性就越大,能量也越低。

原子核发生裂变或聚变,一般都会产生能量,恒星发光发热就是因为核聚变产生的巨大能量,原子弹爆炸就是核裂变产生的能量。在元素周期表上,比铁轻的元素都会通过核聚变产生能量,而比铁重的元素会通过核裂变产生能量。只有铁不管是核聚变还是核裂变,光吃不吐,只消耗能量,不会产生一点能量。

这样,这个铁疙瘩就成了一个难剃的头。恒星演化到了末期,本来需要更多的能量来维持其寿命,再大的恒星也没有办法驱动铁核聚变了。因此,所有恒星核聚变到铁就停止了。

那么核聚变到铁就结束了,为啥宇宙中会存在比铁重的许多元素呢?

  • 这是因为宇宙发生了更厉害的事件

这些事件就是超新星爆发或大质量天体相撞合并。当大质量恒星核聚变将核心物质聚变到铁以后,就再也没有能量来激发铁的核聚变了,这样恒星核心的核聚变就停止了,就像太阳晚期一样,核心没有了巨大辐射压抵御引力压,外围质量就急剧向核心坍缩。

这种坍缩速度非常快,达到光速的10~25%,甚至50%,这些极端力量冲击核心那个铁疙瘩,铁疙瘩依然无动于衷地将这些冲击物质反弹回去,这样就形成了巨大冲击波冲击恒星外层,物质剧烈碰撞导致了恒星的热核失控,大爆炸就发生了。

大爆炸形成了1000亿K的超高温度和超高压力,在这样超巨大能量冲击下,沙比铁疙瘩再也保持不了那种不阴不阳的矜持状态了,被一级一级融合成为各种更重物质。

这种超新星爆发是大质量恒星核心坍缩型超新星。超新星爆发还有白矮星、中子星超过质量极限的爆发,这里就不不一一细说了。

这样金银财宝、镧系锕系就都出现了。

在宇宙大事件中,中子星相撞、黑洞融合等事件,更是宇宙极端事件,其温度可达到万亿K以上,产生的伽马射线暴温度甚至可达10万亿K以上,在其周边天区,可再现宇宙大爆炸1秒之前的高温高压高密状态,这些都是产生重元素的条件。

2017年,科学家们捕捉到了距离我们1.3亿光年的两颗中子星相撞引力波,据测算,剧烈的爆炸炸出了300个地球质量的黄金,还产生了大量的铂、铀、汞等重金属。

科学家们认为,我们地球上这些重金属,都得益于这类宇宙事件,这些漂浮在宇宙中的贵重金属,在地球形成初期被吸附或以陨星方式撞击掉落到地球,那时的地球还是一个熔融状的火球,这些重金属绝大多数沉入了地心,一小部分留在了地表岩层中,被人类开发利用。

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