核聚变到铁就停止了,元素周期表中铁之后的元素都是咋来的?

在上世纪,物理学家在研究天文学理论时,遇到了很多瓶颈,比如:宇宙的大爆炸,恒星的演化等等。后来,有一批杰出的原子物理学家加入到相关的研究当中,这些问题才逐渐得以解决。换句换说,宇宙作为大尺度的物理学现象,其实和微观世界的小尺度现象是统一到一起的。元素周期表中的元素就是和宇宙的演化是紧密地结合在一起的。

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那具体是咋回事呢?我们就来聊一聊这个问题。
氢、氦与宇宙大爆炸

按照目前的主流理论,我们知道,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸的初期,宇宙的温度极其高。

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随着宇宙空间的剧烈膨胀,温度逐渐地下降。在这段时间内,高能光子的对撞会产生一对正反粒子,每十亿对正反粒子还会继续湮灭产生高能电磁波,同时会有一个正物质粒子幸存下来。也正因此,如今的宇宙才是正物质构成的。到了宇宙大爆炸之后的38万年前后,宇宙的温度下降到3000度左右,原子结构得以形成,光子在宇宙中传播。此时形成的原子主要是氢原子氦原子。这两个元素是元素周期表最靠前的元素。

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并不是说形成不了原子序数更大的元素原子,只是因为它们不够稳定,很多又裂变成氦原子。因此,在我们现在这个宇宙中,氢原子和氦原子的占比是最高的,达到了99%以上。那比氦元素原子序数更大的元素是咋来的呢?
恒星:元素炼丹炉

在宇宙演化过程中,星云物质在引力坍缩下,逐渐形成了各种天体,其中有一类叫做恒星。恒星区别于其他天体的最大特点就是因为核心核聚变反应而发光。那恒星和元素有什么关系呢?

这就要从恒星的核聚变说起了。恒星一般来说质量都特别巨大。就拿太阳来说,太阳的质量占据了整个太阳系99.86%以上的质量

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质量越大,引力就越大。恒星会因为自身引力巨大,导致内核的温度在引力作用下急剧升高。还拿太阳来说,太阳的内核温度就可以达到1500万度。在这样的温度下,太阳内核物质就不是我们常见的气液固三态了。

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这是因为温度过高,导致原子核的电子能够在环境中获取到足够多的能量。于是,电子就会摆脱原子核的束缚。因此,在太阳的内核中,物质是呈现等离子态,在其中有许多原子核、电子、光子搅在一起。

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这里的原子核主要是氢原子核和氦原子核,氢原子核说白了就是质子。在这样的环境下,原子核由于都是带正电的,因为同种电荷相排斥,因此,原子核照理说是没有办法发生核聚变的。

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或者我们可以说,想要让原子核发生核聚变反应是需要输入足够多的反应能量。在地球上,人类要引爆一颗氢弹,就需要制造一个高达一亿度的环境温度来给氢核聚变提供反应条件,比如:引爆氢弹之前会先引爆一颗原子弹。

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照理说,太阳内核的环境条件是不足以促发核聚变反应的。但是在微观世界中,存在着一个“量子隧穿效应”。它的意思是说,即便是需要输入能量才能发生的反应,在微观世界中也有极其低的概率会发生。由于太阳十分巨大,粒子数足够多。因此,再低的概率,乘以太阳的粒子数,也是一个大概率发生的事件,只是速度会非常慢。因此,氢核聚变反应是可以发生的,但不会像氢弹那样一下子全炸了。反应过程就是4个氢原子核产生一个氦原子核。(这里补充一点,促发氦原子核聚变的反应条件要比氢原子核聚变苛刻得多,因此,先促发是氢原子核的核聚变反应。)在恒星当中,一般来说有两条反应路径,分别叫做质子-质子反应,碳氮氧循环。不过,结果都是一样的,都是4个氢原子核产生1个氦原子核。

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如果恒星内核的氢原子核烧完之后会如何呢?

恒星会在引力的作用下,继续收缩,提升内核温度。如果恒星的质量足够大,就会促发氦原子核的核聚变反应,生成的就是碳原子核和氧原子核。

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如果氦也烧完了,那就会继续烧碳原子核和氧原子核,生成原子序数更高的原子。比如:燃烧碳原子核会生成氧原子核,氧原子核燃烧会生成氖原子核,然后是镁原子核。

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一般来说,只要是恒星的质量足够大,核聚变反应就可以一直到铁原子核。铁原子核是一个里程碑。为什么这么说呢?
超新星爆炸

铁原子核是最稳定的原子核,科学家管这个叫做结合能最高的元素原子核。意思是说,无论是你要掰开铁原子核,还是继续聚合铁原子核都非常难。

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在生成铁原子核之前,核聚变反应都是释放出大量能量。可要让铁原子核发生核聚变反应,就需要提供大量的能量,而产生的能量会少于提供的能量,所以是一个吸能反应。因此,恒星还要进入到下一个演化阶段就需要一个极其高的门槛。科学家通过理论计算就发现,质量要达到太阳质量8倍以上的恒星才能继续促发下一步的反应。(实际上,目前到底是几倍太阳质量也没有绝对的定论,也有说9倍或者10倍以上的。)

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如果恒星的质量真的超过了这个门槛,那接下来,恒星就会在引力的作用下进入下一个阶段,也就是超新星爆炸。超新星爆炸的亮度常常堪比一个星系的亮度,在中国古代,也把超新星称之为客星

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超新星爆炸的过程中,就会产生许多原子序数比铁元素更高的元素。这里多说一句,其实在恒星发生超新星爆炸之前,恒星的内核最中心的部位其实也会合成少量的比铁元素原子序数高的元素,比如:锌。只不过,这个量非常非常少,几乎可以忽略不计。

那原子序数比铁元素高的元素都是来自于超新星爆炸吗?
中子合并

实际上,并非如此。恒星在超新星爆炸之后,内核会在引力的作用下剧烈的收缩。如果这个时候内核的质量大于1.44倍太阳质量,小于3倍太阳质量,就会形成中子星。如果这时内核的质量大于3倍太阳质量,就会形成黑洞。

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科学家最近发现,原子序数比铁元素更高的元素更多来自于两个中子星的合并。像银元素和金元素绝大部分就来自于中子星的合并。

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不过,宇宙中的中子星并不多,更不要说两个中子星相遇并合并,发生这样事件的概率其实十分小。因此,高顺位的元素来之不易,并且含量极其低。
总结

说了这么多,我们来总结下:
    宇宙大爆炸后38万年,宇宙中合成氢元素和氦元素;恒星核聚变可以产生氦元素到铁元素之间的各种元素;比铁元素原子序数更高顺位的元素主要来自于超新星爆炸和中子星合并。除了以上三种合成方式,其实还有一些其他的合成元素方式,只是并不常见,比如:宇宙射线裂变。在这里就不赘述了。

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根据上述的内容,我们很容易发现,我们身体中的元素都要比我们自身的年纪大得多。我们体内的氢元素是来自于138亿年前的宇宙大爆炸。我们体内的其他元素都要比地球的年纪大,至少有46亿年的历史。而许多金银首饰都曾经是恒星的核心。

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