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为何恒星聚变到铁就停止了?宇宙中比铁重的元素又是哪来的?

2021-12-03  星辰大海...

在看科普书时大家一定有个疑问,恒星在超新星爆发前是一个洋葱结构,最中间就是一个大铁球,大多数资料中介绍的超新星爆发都是核坍缩型,恒星的内核聚变到铁就超新星爆发了,那么问题来了,铁元素为何就不能聚变?宇宙中那么多比铁重的元素又是从哪来的?

为何恒星聚变到铁就停止了?宇宙中比铁重的元素又是哪来的?

元素的聚变与比结合能

恒星是名副其实的元素工厂,宇宙中几乎所有的元素(除了氢以外),恒星其演化过程中都可以产生,使用的原料就是宇宙大爆炸诞生的氢元素,应该说是恒星成就了氢元素,氢元素最终也成就了恒星。

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一般恒星释放的绝大部分都是核聚变产生的,一颗恒星从原恒星开始,内部就达到了氢元素聚变的条件,它会从氢一直到铁,假如这颗恒星足够大的话。

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第一步非常关键,从一个质子的氕变成一颗中子一颗质子的氘,需要量子隧穿效应才能完成这个步骤,在太阳这个级别,十亿个质子才有一个有这样的机会,不过好在是太阳内核的质子实在是太多了,总量也不少,但由于变成氘的速度很慢,所以太阳也很“耐烧”。

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接下来就容易多了,氘和氕聚变成氦三,氦三和氦三再聚变成氦四,这就是著名的质子链反应,也叫PP链反应,不过PP链反应有4~5个分支,比较啰嗦,本文就不多说了。

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再往后就是氦核作用和3氦过程,将恒星PP过程产生的氦转换成重元素,3氦作用反应时会生成碳,之后如下的反应将会继续,持续产生重元素:

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3氦过程产生碳

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3氦过程的“副作用”,产生氧

以太阳为例,这个过程就到此结束了,因为太阳的质量不足以在内核产生足够的温度,因此到达碳氧之后太阳内核的和聚变反应就停止了,内核停止反应,此前膨胀的红巨星状态外围会逐渐远离形成行星状星云,而内核则将失去辐射压支撑坍缩成白矮星。

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和地球差不多大的白矮星

比太阳更大质量的恒星,比如8~10倍太阳质量以上的恒星会继续核聚变,其过程将会经历如下这些反应,从氦核开始到镍为止:

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请注意,在恒星内部会直接诞生到镍的,并不是铁!但是为什么会说恒星聚变最终都变成铁?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:

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

不过需要提醒一下的是,一般在这个时间节点以前,恒星就已经超新星爆发了,所以它会继续在爆发之后的星云中衰变,因此说恒星聚变只能生成铁并不十分准确,但也没太大毛病。

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注:太阳的主要能量来源方式是和质子链反应,另一个能量来源方式是碳氮氧循环,但在类日恒星中期其内核的温度不足,碳氮氧循环能量占比只有1.7%,但在更大质量的恒星中碳氮氧循环则占主要来源。

为何铁元素就无法再聚变了?

这个问题上我们必须要理解一个问题,那就是元素的结合能,聚变是在原子核的尺度上进行的,结合能等于质子或原子核组成新原子核时释放的能量,或者将原子核分解成自由未结合的质子或者原子核所需要的能量,这部分能量来自与原子核内部之间的强作用力。

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元素或者同位素不一样(元素序号差别或者原子核内质子+中子数差别),元素的比结合能也不一样,元素的比结合能如下图:

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从这条曲线中我们可以看到几个信息:铁位于这条曲线的顶点,也就是说它的比结合能是最大的,就相当于这种元素从山脚掉下来到了谷地处在了最稳定的状态,要让它再“聚变”,必须给予更大的能量,比如超新星爆发,但它却无法再释放能量,而是吸收!

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另一个信息是位于左右两侧的元素向中间转变时都可以释放能量,但从曲线的陡峭程度来看,左边(聚变)要明显高于右边(裂变),这也是氢弹释放的能量远高于原子弹的主要原因之一。

比铁重的元素是从哪里来的?

上述过程大致描述了铁以前的元素是怎么来的,但现在地球那么多金银、铂以及更重的铀等元素到底是从哪来的?来源有两个,一个是慢中子捕获,另一个则是快中子捕获;

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慢中子捕获过程

其实两个都是中子俘获过程,原理其实挺简单的,和各位了解到的中子嬗变是差不多的,即原子核遭遇中子撞击俘获后有两个过程,一个是变成该种元素的同位素,另一个是如果同位素不稳定,中子会经历一个β-衰变而变成一颗质子,此时的元素序号会+1,这就是产出了原来元素更重的元素,这就是S-过程。

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S-过程在Ag到Sb的范围内的行为。

慢中子捕获的元素序号并不是无限的,它有一个上限,不是它无法再捕获更多的中子,而是会陷入一个死循环:

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所以慢中子捕获会有一个上限,它的终点就是铋,接下来的元素需要快中子捕获来创造了。

快中子捕获过程

快中子捕获是在核坍缩的超新星爆发过程中产生的,它需要以铁为种核进行连续的快中子捕获过程,也称为R-过程,其原理和S-过程差不多,但根据量子力学壳层模型,原子核经放射性衰变成为同位素时,会在接近中子滴线处关闭中子壳层。

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因此更高序号的元素必须由快中子捕获来创造,因为超新星爆发时会产生极高的中子通量,中子捕获的速度远比β衰变要来的快,因此r-过程 会"沿着"中子滴线进行,当中子捕获截面积因为中子壳层关闭而减小或者重元素的的同位素稳定区域,当这样的核变得不稳定时,便会自发性的产生分裂,使r-过程终止。

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R-过程

在中子通量减少后,那些不稳定的元素会开始衰变而形成稳定的元素,此时的元素序号就不是+1了,可能是+n,金银铂或者放射性铀元素就是在这个过程中产生的。

为何恒星聚变到铁就停止了?宇宙中比铁重的元素又是哪来的?

S-过程和R-过程创造的比铁重的元素各占半,但R-过程能创造更高序列的重元素,S-过程会在红巨星的几十万年甚至百万年乃至更久的时间内发生,它有的是时间,而R-过程则会只有短短数秒,因为超新星爆发过程本来就不长,留给R-过程的时间并不多,但它速度很快。

为何恒星聚变到铁就停止了?宇宙中比铁重的元素又是哪来的?

另一种R-过程会在中子星合并过程中发生,当然前提是中子星没有合并成黑洞,要不然这黑洞把合并过程中合成的又给吸进去了,这都不知道是啥物质了,或者叫黑洞物质更合适。

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