元素靠核聚變生成，恒星核聚變只到鐵，其余92種元素怎么來的？

現(xiàn)在人類已知宇宙中有118種元素，元素的種類是以原子核中質(zhì)子數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)來確定的，原子核從1個(gè)質(zhì)子，到118個(gè)質(zhì)子，在元素周期表中排列成118種元素。鐵元素在元素周期表中位列第26位。也就是說，在鐵元素之后，還有92種元素。

恒星核聚變的條件

何謂核聚變？核聚變就是在高溫或高壓條件下，氫原子核通過融合變成相對(duì)更重的原子核的過程，在這個(gè)過程會(huì)損失一部分質(zhì)量，這些質(zhì)量嚴(yán)格遵循愛因斯坦質(zhì)能方程，轉(zhuǎn)換成巨大能量釋放出來。

現(xiàn)代宇宙天文學(xué)常識(shí)告訴我們，宇宙大爆炸初期，最早形成的元素只有氫和氦，還有極微量的鋰，鋰以后的115種元素都是沒有的。宇宙大爆炸10億年左右，原始星云才凝聚形成了恒星，從此恒星成為可見宇宙的主要組成，占總質(zhì)量90%以上。

由于恒星巨大質(zhì)量形成的高溫高壓，在核心部分會(huì)激發(fā)核聚變。由于宇宙元素主要是氫和氦，即便到現(xiàn)在宇宙已經(jīng)有了118種元素，氫和氦在宇宙中的豐度依然占99%左右，其中氫的質(zhì)量占有75%（體積占90%左右），因此所有的恒星核心核聚變都是從氫開始，逐步發(fā)展到更重元素。而氫核聚變是所有恒星維持主序星階段的主要?jiǎng)恿Α?/p>

主序星階段是恒星最穩(wěn)定時(shí)期，占恒星總壽命的90%時(shí)間；恒星其余壽命時(shí)間發(fā)生在形成階段和氫核聚變結(jié)束后的演化晚期，這段時(shí)間是恒星不穩(wěn)定的快速變化階段。

核聚變的條件要求很高，越重的原子核，聚變要求的溫度和壓力越高。恒星巨大的引力向心壓力，相對(duì)降低了核聚變的溫度要求，一般來說，恒星氫核聚變所需溫度需要1000萬K，氦核聚變溫度需要2億K，碳核聚變溫度需要8億K，氧核聚變小15億K，硅核聚變需要35億K。

質(zhì)量越大的恒星，核心引力壓力越大，溫度越高，核聚變就越激烈，氫燃燒得就越快，這樣壽命就越短。質(zhì)量越小的恒星，核聚變就越溫和緩慢，因此壽命就越長(zhǎng)。

太陽核聚變最多生成碳，大質(zhì)量恒星最后生成鐵

太陽核心溫度只有1500萬K，壓力達(dá)到3000億個(gè)地球大氣壓。這種溫度壓力只能進(jìn)行氫核聚變，每四個(gè)氫核聚變成一個(gè)氦核，在這個(gè)聚變過程會(huì)虧損約0.7%的質(zhì)量，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式，釋放出相應(yīng)的能量。太陽核聚變每秒鐘轉(zhuǎn)化氫核6億噸，融合出5.958億噸的氦，有420萬噸質(zhì)量轉(zhuǎn)化為3.78*10^26J（焦耳）的能量。

太陽的這些能量一方面產(chǎn)生巨大輻射壓，抵消了引力的坍縮壓力，讓太陽一直維持著穩(wěn)定的狀態(tài)；另一方面以電磁輻射的方式，將能量傳遞到太陽表面，并源源不斷地釋放到太空，地球承接到其中22億分之一。

太陽的主序星階段可以維持100~110億年?，F(xiàn)在太陽年齡約46億歲，壽命還有54~64億年。太陽核心的氫燒完了，太陽大限就到了，進(jìn)入衰老期，這個(gè)階段很短，只有約1~5億年左右。

這時(shí)的太陽會(huì)變得很不穩(wěn)定，核心氫燒完，只剩下一個(gè)氦核，氦核聚變的溫度和壓力要求更高，太陽核心溫度壓力達(dá)不到氦核聚變要求，核聚變就熄滅了。沒有了核聚變巨大輻射壓抵消外圍巨大引力壓，恒星就會(huì)向內(nèi)坍縮，這樣就會(huì)導(dǎo)致核心壓力和溫度急劇增高，就點(diǎn)燃了氦核聚變。

氦核聚變的巨大輻射張力，讓恒星外殼膨脹，太陽就會(huì)漸漸變成一個(gè)紅巨星，半徑增加到現(xiàn)在的250~300倍，而且外圍物質(zhì)不斷飄散到太空，質(zhì)量越來越小。

這樣的過程不斷發(fā)生，就依次點(diǎn)燃了一路向上的重核聚變。但像太陽這樣質(zhì)量的恒星，最終的壓力和溫度只能將核聚變升級(jí)到碳，就再也沒有能力升級(jí)了，最終太陽外圍物質(zhì)散盡，核心只留下一個(gè)小小的碳球，這個(gè)碳球體積只有約地球大小，質(zhì)量卻有太陽一半，這就是致密的白矮星，密度可達(dá)1~10噸/cm^3。

如果宇宙只有太陽這樣質(zhì)量的恒星，元素就只能到碳了。碳核只有6個(gè)質(zhì)子，在元素周期表里排列在第6位，如果恒星核聚變都像太陽這樣，到碳結(jié)束，后面還有112個(gè)元素就沒有了。

好在宇宙中還有10%左右更大的恒星，現(xiàn)在已知宇宙中最大質(zhì)量恒星約為太陽的200多倍。恒星質(zhì)量只要超過太陽8倍，核心壓力和溫度就可以讓核聚變一路升級(jí)，一直到鐵結(jié)束。

這以后，質(zhì)量再大的恒星，核心核反應(yīng)也只能達(dá)到鐵為止了。這是為什么呢？

這是因?yàn)殍F56原子核的穩(wěn)定性最高。

原子核中將質(zhì)子中子束縛在一起的力叫強(qiáng)力，中子呈中性，質(zhì)子帶有正電，這樣質(zhì)子與質(zhì)子之間就同性相斥，具有相互排斥的電磁作用力。在四大基本力中，強(qiáng)力比電磁作用力大100倍。但強(qiáng)力屬于短程力，作用范圍只有10^-15m（米），而電磁作用力是長(zhǎng)程力，理論上作用距離無限長(zhǎng)。

這樣，這兩種力就會(huì)在核子里產(chǎn)生一些相互制衡的微妙關(guān)系。質(zhì)子排斥力雖然很大，但在原子核范圍內(nèi)，還是受到強(qiáng)力支配，被緊緊束縛在一起。這其中，中子也起到了穩(wěn)定作用。一般當(dāng)原子序數(shù)較小時(shí)，質(zhì)子數(shù)量不多，原子核半徑小，強(qiáng)力就起到了主導(dǎo)作用。

原子核強(qiáng)力會(huì)隨著原子序數(shù)的疊加，也就是從氫元素1個(gè)質(zhì)子開始，隨著原子核質(zhì)子數(shù)的增加，強(qiáng)作用力會(huì)越來越大，原子核也就更穩(wěn)定；但隨著原子核半徑越來越大，質(zhì)子的電磁作用力（排斥力）也會(huì)不斷疊加。當(dāng)原子核的質(zhì)子數(shù)到達(dá)一個(gè)閾值，距離核心較遠(yuǎn)的質(zhì)子排斥力就有可能超過強(qiáng)力，這樣這個(gè)原子核就變得不穩(wěn)定了。

這個(gè)閾值就是鐵56，原子核中有26個(gè)質(zhì)子和30個(gè)中子。鐵56成為元素穩(wěn)定的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，低于這個(gè)原子量的元素，是從輕到重越來越穩(wěn)，到達(dá)鐵56時(shí)最穩(wěn)定；超過鐵56的元素，隨著質(zhì)子數(shù)的增加，穩(wěn)定性就越來越差。

因此鐵是所有元素中最穩(wěn)定的元素，元素越穩(wěn)定惰性就越大，能量也越低。

原子核發(fā)生裂變或聚變，一般都會(huì)產(chǎn)生能量，恒星發(fā)光發(fā)熱就是因?yàn)楹司圩儺a(chǎn)生的巨大能量，原子彈爆炸就是核裂變產(chǎn)生的能量。在元素周期表上，比鐵輕的元素都會(huì)通過核聚變產(chǎn)生能量，而比鐵重的元素會(huì)通過核裂變產(chǎn)生能量。只有鐵不管是核聚變還是核裂變，光吃不吐，只消耗能量，不會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)能量。

這樣，這個(gè)鐵疙瘩就成了一個(gè)難剃的頭。恒星演化到了末期，本來需要更多的能量來維持其壽命，再大的恒星也沒有辦法驅(qū)動(dòng)鐵核聚變了。因此，所有恒星核聚變到鐵就停止了。

那么核聚變到鐵就結(jié)束了，為啥宇宙中會(huì)存在比鐵重的許多元素呢？

這是因?yàn)橛钪姘l(fā)生了更厲害的事件

這些事件就是超新星爆發(fā)或大質(zhì)量天體相撞合并。當(dāng)大質(zhì)量恒星核聚變將核心物質(zhì)聚變到鐵以后，就再也沒有能量來激發(fā)鐵的核聚變了，這樣恒星核心的核聚變就停止了，就像太陽晚期一樣，核心沒有了巨大輻射壓抵御引力壓，外圍質(zhì)量就急劇向核心坍縮。

這種坍縮速度非?？?，達(dá)到光速的10~25%，甚至50%，這些極端力量沖擊核心那個(gè)鐵疙瘩，鐵疙瘩依然無動(dòng)于衷地將這些沖擊物質(zhì)反彈回去，這樣就形成了巨大沖擊波沖擊恒星外層，物質(zhì)劇烈碰撞導(dǎo)致了恒星的熱核失控，大爆炸就發(fā)生了。

大爆炸形成了1000億K的超高溫度和超高壓力，在這樣超巨大能量沖擊下，沙比鐵疙瘩再也保持不了那種不陰不陽的矜持狀態(tài)了，被一級(jí)一級(jí)融合成為各種更重物質(zhì)。

這種超新星爆發(fā)是大質(zhì)量恒星核心坍縮型超新星。超新星爆發(fā)還有白矮星、中子星超過質(zhì)量極限的爆發(fā)，這里就不不一一細(xì)說了。

這樣金銀財(cái)寶、鑭系錒系就都出現(xiàn)了。

在宇宙大事件中，中子星相撞、黑洞融合等事件，更是宇宙極端事件，其溫度可達(dá)到萬億K以上，產(chǎn)生的伽馬射線暴溫度甚至可達(dá)10萬億K以上，在其周邊天區(qū)，可再現(xiàn)宇宙大爆炸1秒之前的高溫高壓高密狀態(tài)，這些都是產(chǎn)生重元素的條件。

2017年，科學(xué)家們捕捉到了距離我們1.3億光年的兩顆中子星相撞引力波，據(jù)測(cè)算，劇烈的爆炸炸出了300個(gè)地球質(zhì)量的黃金，還產(chǎn)生了大量的鉑、鈾、汞等重金屬。

科學(xué)家們認(rèn)為，我們地球上這些重金屬，都得益于這類宇宙事件，這些漂浮在宇宙中的貴重金屬，在地球形成初期被吸附或以隕星方式撞擊掉落到地球，那時(shí)的地球還是一個(gè)熔融狀的火球，這些重金屬絕大多數(shù)沉入了地心，一小部分留在了地表巖層中，被人類開發(fā)利用。

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