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深度长文:为什么说恒星核聚变到铁元素就停止了?

恒星核聚变不止进行到铁就停止了,而是到镍-62!科普界普遍引用的恒星核聚变到铁为止是一种误解。我们先来说说这个核合成终点的问题。

另外我假设题主可能是想知道恒星核聚变“为什么……到铁元素就停止……”,实际上超新星爆照末期的聚变可以一直持续到锕系的钍、铀和钚。

我们先来看看化学元素周期表

上图:镍的原子序数是28,位于铁后面,中间还隔了一个钴(原子序数为奇数的元素通常没有为偶数的稳定)。

(该查表的时候就要查查表)

镍-62才是终点!

镍-62是镍的同位素,具有28个质子和34个中子。它是镍的一种稳定的同位素,具有任何已知核素中核子平均最高的结合能,高达8.7945兆电子伏。人们常说Fe-56是“最稳定的原子核”,但仅仅因为Fe-56具有所有核素中每个核子最低质量(但不是核子平均结合能)。

但Fe-56平均每个核子的质量最低是因为Fe-56具有26/56 = 46.43%的质子,而62Ni仅具有28/62 = 45.16%的质子,而Fe-56中较多的且质量较轻的质子拉低了其核子平均质量。这就是为什么有相当多的科普文误以为铁-56是恒星核合成的终点。但实际上结合能最低的镍-62才是终点!

上图:核子结合能曲线,Ni-62才是最高的,接着是Fe-58,然后才是Fe-56。这三种元素被称为“铁组同位素”,是宇宙中结合最强的三种核子。

为什么恒星核聚变合成只进行到镍-62?

之所以恒星核聚变只能进行到镍-62,那是因为在镍-62和铁-56之前(我们通常会把两者并提,因为这两者之间的钴-56产物非常不稳定)的元素通过核合成形成时会释放出净能量,但越过了镍62之后的核合成虽然可以进行但实际上是吸收能量的,在恒星内部高温下,这些核素实际上无法真正稳定形成(从某种意义上受到热力学第二定律限制)。

结合能(也称为分离能)是将颗粒系统拆分成独立的颗粒所需的最小能量。这种能量等于使系统粒子束缚起来时吸收的能量或增加的质量。结合能是将系统保持在一起的原因。如果提供的能量大于结合能,则系统将分解为分离的部分且这些部分具有非零的动能。

镍同位素的高结合能通常使镍成为整个宇宙中许多核反应(包括中子俘获反应)的“最终产物”,这也解释了镍在宇宙中相对较高的丰度。虽然宇宙中大部分镍是通过超新星爆炸产生的镍-58(最常见的同位素)和镍-60(第二大),其他稳定同位素(镍-61,镍-62和镍-64)非常罕见。这表明大多数镍是在超新星核心蹋缩后立即从镍-56捕获中子的过程中产生的,逸出超新星爆炸的镍-56会迅速衰变为钴-56然后再衰变为稳定的铁-56。结合能排名第二和第三的是Fe-58和Fe-56,其每个核子的结合能分别为8.7922 MeV和8.7903 MeV。

上图:纯镍单体

被误解的“铁”

对铁-56更高核结合能的误解可能源于天体物理学。在恒星的核合成过程的光蜕变和α捕获之间的竞争导致产生的镍-56比镍-62更多,而镍-56则在后来恒星外壳喷射过程中衰变为铁-56。这就是为什么最后恒星当中的铁比镍多的原因了(都怪光蜕变)。

光蜕变(也称为光转换)是一种核过程,原子核吸收高能伽马射线进入激发态,并通过发射亚原子粒子而衰变。入射的伽马射线能够有效地将一个或多个中子、质子或α粒子从核中撞出。对于比铁重的原子核,光致蜕变是吸热的(吸收能量),少量会放热(能量释放)。光蜕变是超新星当中通过p-过程产生某些富质子重元素的原因。

上图:光蜕变原理示意图

镍-56是超新星生命结束时硅燃烧的天然终端产物,是以14次α捕获(4x14=56)并自碳开始构建更多重元素的阶梯聚合反应的产物。超新星燃烧中的α过程自此结束,后面再通过α捕获而产生的锌-60所需能量高得多,这形成了一种能量壁垒,防止了恒星核合成中α阶梯的延伸。而镍之后的重元素则都是在超新星爆炸后的最后一秒中形成的。

α过程,也称为α阶梯,是两类核聚变反应中的一种,通过这种反应,恒星将氦转化为较重的元素,另一类是三重α过程。三重α过程仅消耗氦,并产生碳。
在积累了足够的碳后,将发生下述系列反应,所有反应都只消耗氦和前一反应的产物。

上图:11个α过程在恒星内次第展开,像是梯子一般。

未来这种误解会越来越深,因为最后的宇宙没有“镍”

然而,28个镍-62原子还可在恒星核合成之后的过程中聚合成31个铁-56原子,释放出0.011u的能量;因此,在假设通过Adler-Bell-Jackiw反常的质子衰变足够缓慢的前提下,没有质子衰变的宇宙,未来将会只有“铁星”而不会有“镍星”。

在天文学中,铁星是一种假想类型的致密星体,可能在极远的未来,发生在大约在10的1500次方年后的宇宙中。
量子隧穿导致的冷聚变会使普通物质中的轻核聚合成铁-56核。而重核则通过裂变和α粒子辐射使重核衰变成铁,最后恒星完全转化为一颗颗的冷球铁。(⊙o⊙)——但这只有在质子不衰变的前提下才有可能发生。

总结

所以,恒星核聚变,而不是所有的核聚变(超新星爆炸最后一秒的核聚变是特例)最高到镍才停止,但因为镍会因为光蜕变变成铁,所以最后就剩下了更多的铁,甚至最后宇宙就只有铁球(铁球宇宙?)。结合能在“铁组同位素”达到巅峰,这是造成恒信核聚变在此处结束的本质原因。

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