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构成我们的物质从何而来,为何铁元素是核聚变的终结者?

其实真是一个很好的问题,它主要涉及到宇宙大爆炸、恒星内部的机制以及超新星爆炸,我们可以按时间线捋一捋这个问题到底是咋回事。

宇宙大爆炸

话说,我们的宇宙起源于一次大爆炸。

这是目前主流的看法,主要的证据有宇宙微波背景辐射,氦丰度,以及哈勃观测到的星系的退行。详细点说,就是哈勃发现了宇宙里的星系正在远离我们,但是不是星系在动,而是它们所在的空间在膨胀,我们观测就会感觉好像是在退行。如果把时间往回追溯,那宇宙最早不就是一个点?

从宇宙大爆炸出发,科学家不断地完善宇宙模型。而按照目前的理论,宇宙大爆炸之后,1秒内特别精彩,如果总结一下就是:

空间:宇宙膨胀得超级快,在10^-33秒内,经历100次加倍,空间变大为原来的10^30倍,这也被称为大暴胀。

物质:一开始宇宙充满能量,没有任何物质,慢慢地,各种比原子尺寸小的粒子出现了,诸如:质子、电子、夸克等等

作用力:四大作用力也分离了出来,分别是:强相互作用力、弱相互作用力、电磁力,万有引力。它们是万物的粘合剂,如果没有四大作用力的柞村,就不会有物质的存在,不会有太阳,更不会有地球和我们,宇宙万物将成为一片散沙。

这些事情都发生在宇宙大爆炸的第一秒内,宇宙的温度,密度都降了下来,在大概30万年后,质子俘获电子形成了中心的原子。

所以,我们宇宙当中,大量的元素都是氢和氦,这是前两个顺位的元素,原子核内的质子数都特别少,氢只有一个,而氦只有两个。氢和氦的占比超过了99%。那其他大号的元素到底从哪里来呢?

恒星

而产生更大顺位的元素就需要更强的外界作用才行,在宇宙大爆炸之后的5亿年之前,宇宙是一片漆黑的,因为没光源。宇宙中的主要成分就是一些气态物质。这些气态物质在引力下慢慢地形成了密度稍微高一些的气体云块,然后再逐渐形成了恒星。所以,第一代恒星大概出现在宇宙大爆炸之后的5亿年前后。

那恒星为什么会发光呢?

这其实是因为核心内部有聚类的核聚变反应。

发现没有核聚变反应前后,有可能会造成原子序数变大,说白了就是产生更高顺位的元素。不过,恒星内部的核反应要比普通的氢核聚变复杂一下。主要是有两种方式,

一种叫做:质子-质子反应链(简称P-P链),最终生成氦-4

另外一种叫做:碳氮氧循环,最终也是生成氦-4,其中碳氮氧以及少量氟在这个过程中会充当反应的催化剂。

这两种反应是汉斯贝特等科学家提出来,并且得到了观测的验证。他们的理论还影响了粒子物理标准模型,并且获得了诺贝尔奖,可以说是相当坚实的理论。

所以,恒星在主序星时期,会燃烧氢(核聚变),生成氦-4。质量不同的恒星,其实内部的情况或多或少有些差异,主要就是PP反应链多一点,还是少一点的问题。而之所以可以发生核聚变反应,是因为自身引力导致中心温度升高,加上量子隧穿效应,最终达到了可以点燃氢的水平,就会发生核聚变反应。

元素炼丹炉&超新星爆炸

恒星在主序星时代结束时,会变成红巨星或者超红巨星。

这是因为由于质量的减少,自身引力减弱,导致引力无法与核心核聚变反应产生向外的压力抗衡,所以会膨胀起来。我们以太阳为例来分析,就是下面这样:

紧接着,恒星会继续燃烧氦,然后是碳,氧等,发现没有,开始有其他元素的出现了。大多数的恒星其实都停在了铁元素之前,这是因为铁元素太稳定了,它核聚变反应所需的能量比所释放的能量还要多,这不是入不敷出了么?所以,如果质量不够大的恒星,一般来说说就会停在铁之前。

如果质量足够大,那恒星由于自身引力足够大,还会继续压缩核心,温度不断升高,最终达到铁核聚变反应的条件,然后发生超新星爆炸。

超新星爆炸由于能量巨大无比,就会可以合成顺位在铁之后的元素,宇宙中大号的元素基本上都来自于一场场超新星爆炸。

所以,我们可以来总结一下,

  1. 宇宙大爆炸之后,宇宙中主要的元素是低顺位的氢和氦。

  2. 随后,恒星出现了,他们是元素的炼丹炉,在恒星核心处可以合成铁元素之前的元素。

  3. 而铁元素之后的元素要依靠超新星爆炸的能量才能够合成。

  4. 铁并非是终结者,它只是很稳定,它的核聚变反应所需要的能量比反应产生的能量高,因此只有超新星爆炸才足以引发铁的核聚变反应。

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