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为什么核聚变到产生铁元素时就停止了?



铁元素后,核聚变依然能进行。只是聚变将不再释放能量,而是吸收能量。

所以恒星内的核聚变当聚变到铁后(准确的说应该是镍-62,但镍最后都会变成铁),因为不再释放能量,恒星的平衡被打破,核聚变也就进行不下去了。

为什么铁之后的聚变要吸收能量?因为铁的比结合能最高。

解释比结合能前,先了解什么是结合能?

原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核的结合能(binding energy)”――摘自人教版高中物理选修3-5教科书。

结合能不是元素原子核拥有的能量,只是要拆开(裂变)或组合(聚变)原子核时需要吸收或释放的能量。原子核里核子数(质子与中子都是核子)越多,结合能越高。

而比结合能=结合能÷核子数,也叫平均结合能。结合能与比结合能之间的关系,相当于GDP与平均GDP之间的关系。

就像GDP再牛也没什么意义,主要得看平均GDP一样,所以核聚变的重点是看比结合能而不是结合能。

铁的比结合能最高,意味着铁是最稳定的元素。

由于铁元素最稳定,所以如果还要往铁原子核里面挤核子(聚变)就会变得很困难,所以要消耗大量的能量。



上图是元素比结合能曲线图(很多引用说成结合能是错误的,一字之差完全不一样)。从这个图你还可以知道为什么氢弹(氢聚变)比原子弹(铀裂变)威力大。

其实还可以通过爱因斯坦的质能方程:E=MC²,来解释铁之后聚变为什么会吸收能量。

因为铁之前的元素,也就是轻元素的聚变会损失质量,所以释放能量,而铁之后的元素,也就是重元素聚变会增加质量,所以会吸收能量。

为什么吸收能量,恒星内的核聚变就进行不下去了?

因为恒星是引力与核力之间微妙平衡的产物。

核聚变释放能量对外形成压力,与恒星自身引力平衡,恒星才能稳定存在。

从氢元素开始,引力的压缩使得恒星内部达到了开始聚变所需的高温,核心先吸收能量再聚变释放出更大的能量,释放的能量再为下一次聚变提供能量再释放,循环往复。

但当恒星内部发生铁聚变时,不仅不会释放能量,还会迅速消耗掉恒星的能量,造成恒星坍缩然后引发核爆炸,就是超新星爆发。



而最小规模的超新星爆发所释放的能量比太阳100亿年中放出的能量总和的100倍还多。

强大的能量瞬间在宇宙中形成一个超级反应炉,聚变出所有的元素,包括铁以后的重元素。

然后在恒星的原地会出现一颗中子星或黑洞。

总结一下

恒星一旦铁了心想死,拦都拦不住。

在科学界,铁聚变被称为“恒星杀手”,终止的是恒星内的核聚变,但开启的是生命起源的超新星爆发,反而加速了宇宙产生所有元素并抛撒元素的进程,把孕育生命的时间大大缩短,不然又怎么会有今天的地球,和地球上的我们。

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