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恒星聚变只能到铁元素,那么黄金这些贵金属元素来自哪里?

关于元素的来历,教科书上告诉我们宇宙大爆炸产生了氢、氦和微量锂元素,恒星核聚变将诞生从氦到铁之间的大部分元素,铁以后的元素是怎么来的?一般只会交代一句是从超新星爆发中诞生的,但问题是它们怎么就从超新星中诞生了呢?

恒星上的元素是怎么发现的?

也许我们得从牛顿的分光实验开始说起,听说牛顿是为了躲避瘟疫回到家乡乌尔斯索普,结果在那里不但发现了万有引力,还通过三棱镜将太阳光分解成了七色,不过牛顿并未在这个问题上过多纠结!

1802年英国物理学家沃拉斯顿在牛顿分光实验的三棱镜前加入了狭缝,取得了一幅带暗线的连续光谱,沃拉斯顿并不太明白这有什么含义,因此并未被重视。

1814年德国光学专家夫琅和费制成了第一台分光镜,发现了明线光谱。

1858年秋到1859年夏,德国化学家本生发明一种煤气灯,将各种金属放在灯上燃烧,发现了明线光谱的差异,从而发明了光谱分析化学元素的方法。

到十九世纪末天文学家已经发现了太阳光中的元素光谱包括氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素!但当时并不清楚这些元素是怎么来的,只是很奇怪太阳上怎么也会有和地球上很多类似的元素呢?

恒星元素从氦到铁的过程

要理解恒星的元素聚变过程,也许我们要从发现太阳开始说起,太阳上的元素是怎么来的还跟史瓦希有关,因为是他根据温度以及密度和压力一起计算后认为太阳这种等离子天体可能是辐射为内核与外壳传递能量的方式!

1920爱丁顿提出太阳的能量可能来自于氢聚变成氦产生能量,并且认为这个过程可能会产生更重的元素,因此爱丁顿在1926年根据理想气体为基础,以太阳氢元素为主的模型计算出太阳内核的温度可能为1900万度左右。

1928年伽莫夫根据太阳内核的温度推导出氕氕聚变成氘的条件,原本爱丁顿计算的太阳温度并不足以引起氕氕聚变,但伽莫夫解决了质子如何穿透库伦壁垒完成聚变的量子力学公式。

1939年汉斯贝特则发现了质子-质子反应链以及碳氮氧循环是太阳上两种能量来源,而在太阳这个规模上,质子链反应占主要地位,而碳氮氧循环则比例比较小。

到此为止元素的聚变环节已经通了,恒星和太阳原理一样,唯一不同的就是质量!我们接下来说说这些元素聚变的过程!假如一颗恒星质量足够,那么它能将从氕开始一路到镍56:

氕→氘→氦-4 → 铍-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 镁-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56

很多人以为只到铁,其实也没错,因为镍-56会经电子捕获而衰变成钴-56,最终衰变成铁-56,因此说聚变到铁就停止了其实没啥大毛病,镍-56的衰变过程:

镍-56的半衰期为6.02天,以β+衰变成为钴-56(半衰期77.3天)最终衰变为铁-56

但更准确的说,恒星内部聚变到铁并不准确,因为这个半衰期完成前,恒星早已超新星爆发!

铁以后的元素是怎么诞生的?

相信很多朋友都已经接受重元素在超新星爆发和中子星合并过程中诞生,但其实在这两个过程之前,重元素早已偷偷的在产生了,而这个过程就是慢中子捕获和快中子捕获!

  • 慢中子捕获

我们先把中子捕获这个事情搞明白,这是轻原子核向重原子核转变的一个重要步骤,它主要发生在红巨星内部,轻原子核可能会捕获多个中子,但中子多了会不稳定,通过β衰变释放出一个电子和一个反中微子变成质子,成为质子数+1新的重元素,当然过程并不如这样轻描淡写,但基本原理就是如此!慢中子捕获很难发生,但在红巨星庞大体积的内部产生的总量却不容小觑,据估计恒星内部大约有一半重元素由慢中子捕获产生!

  • 快中子捕获

  • 快中子捕获其实和慢中子捕获原理是一致的,所不同的就是快中捕获需要铁原子核为基底,而这个过程伴随着超新星爆发时内部的超强中子流快速完成捕获过程,超新星后中子流结束,快中子捕获过程也将结束,尽管时间很短,但它合成了另一半重元素。

  • 中子星合并

  • 其实这是另一个版本的快中子捕获,或者中子星或者的β衰变产生,因为中子星物质衰变是从大量中子聚合体的衰变,因此产生重元素的概率极高,因此天文学家认为重元素、特别是金元素等贵金属元素都是从中子星合并中产生。比如2017年的探测到引力波的两颗中子星合并,天文学家认为产生了数个地球质量的黄金,但很可惜我们够不着!

    元素的来历就这几种,当然高能加速器中也能制造新元素,不过成本极高而效率却极差,仅仅只能做研究没有实用价值,因此基本上我们人类根本不能替代恒星自己制造元素,即使未来核聚变实现也不行!

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