要深刻理解恒星核聚变的过程,首先了解两个概念:结合能,比结合能。

结合能

我们都知道,原子核是核子通过核力(质子中子)结合在一起的,如果想把核子分开,就需要能量,需要的能量就是原子核的结合能。自然组成的原子核,核子越多,结合能就越高。

比结合能

理解了结合能的概念,比结合能就很好理解了:原子核的结合能与核子数之比就是比结合能,即每个核子结合能的平均值,所以也叫平均结合能。比结合能越大,核子结合得越牢固,原子核就越稳定。

恒星聚变能产生比铁更重的元素吗(恒星核聚变到铁元素就停止了)(1)

上图:核子结合能曲线,Ni-62才是最高的,接着是Fe-58,然后是Fe-56

这里有必要强调一点,其实铁元素的比结合能并不是最高的,这种说法科学来讲并不严谨,比结合能最高的是镍-62。只不过镍-62最终也会衰变成铁元素,所以我们会习惯性地认为铁元素的比结合能最高!

这就类似GDP与平均GDP的关系,GDP再大,如果平均GDP很小也没有多大实际意义!

而铁的比结合能是最高的,所有铁元素最稳定。

为何恒星核聚变到铁元素就停止了呢?

简单讲,因为比铁更轻的元素通过核合成形成时会释放出净能量,铁元素之后的核合成虽然可以进行,但是吸收能量的。在恒星内部高温高压下,这些元素实际上无法真正稳定形成!

恒星聚变能产生比铁更重的元素吗(恒星核聚变到铁元素就停止了)(2)

核聚变示意图

形成铁元素之后,核聚变仍旧能进行,但此时的恒星已经不能叫做“恒星”,因为此时的核聚变不再释放能量,而是吸收能量。

换一种理解方式,爱因斯坦的质能方程:E=MC²我们都知道,比铁更轻的元素聚变会损失质量,所以会释放能量,比铁更重的元素聚变会增加质量,所以会吸收能量。

恒星聚变能产生比铁更重的元素吗(恒星核聚变到铁元素就停止了)(3)

核聚变过程

那么为何巨聚变时吸收能量,核聚变就无法进行下去了呢?

我们需要明白恒星不断发光发热,不断释放能量的原因是什么。

是两种力量的平衡。恒星质量非常巨大,巨大的质量意味着巨大的万有引力,在引力的作用下,恒星物质拥有向内坍缩的趋势。

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两种力量的平衡

而正是引力的作用,让恒星内部产生了极高的温度和压力,由此产生了核聚变。核聚变释放出巨大能量,产生了对抗引力的对外压力,这两种力量的平衡才让恒星得以稳定运行数十亿年甚至更久!

而一旦核聚变停止了,两种力量的平衡被打破,万有引力占据绝对上风,恒星物质开始急剧向内坍缩,意味着恒星的死亡,死亡之后变成白矮星,中子星或者黑洞。

恒星聚变能产生比铁更重的元素吗(恒星核聚变到铁元素就停止了)(5)

恒星演化过程

向内坍缩的过程中,在万有引力的作用下,内核产生了超强的压力和温度,这给了铁元素聚变成更重元素提供了能量,而铁元素在聚变成更重元素时恰恰需要不断吸收能量,而不是释放能量。

我们经常所说的超新星爆发就是在此过程中形成的。而且这个过程通常是比较短暂的,因为只有万有引力在起作用,恒星物质向内急剧坍缩撞击铁核,聚变成更重的元素。

撞击当然会产生非常强大的反作用力,猛烈的反作用力把恒星物质抛洒到浩瀚的星际空间,这就是超新星爆发!抛洒到星际空间的物质会成为下一代恒星行星形成的原材料。

恒星聚变能产生比铁更重的元素吗(恒星核聚变到铁元素就停止了)(6)

超新星

超新星爆发瞬间释放的能量非常恐怖,比我们的太阳100亿年中释放的能量总和还要多100多倍。

所以说,恒星核聚变到铁元素就停止了,而超新星爆发的瞬间只是核聚变的特例!我们也应该感谢超新星爆发,没有超新星爆发,如今我们的地球上就不可能有金银等贵重金属,这些重金属都是在超新星爆发的瞬间形成的!

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