我们的宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸。大爆炸发生之后,宇宙的温度非常高,之后开始逐渐冷却。由于密度温度的不平衡,在引力的作用下,物质慢慢聚集形成各种天体,包括行星,恒星,彗星等天体。
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最初的宇宙只有氢和氦两种元素,其中氢元素占据了大部分,除氢和氦之外的元素是如何产生的呢?
简单讲,是通过恒星核聚变产生的。恒星核心温度和压力都非常高,足以引发猛烈的核聚变,氢聚变成氦,释放出超强能量。
氢燃料耗尽之后,氦元素会接着发生聚变,成为碳元素,然后是氧,氖元素等更重的元素。
从太阳核心开始,由内而外,元素越来越轻,就像洋葱那样一层一层的。
不过恒星核聚变并不能一直持续下去,聚变到铁元素之后就戛然而止了。因为铁元素是最稳定的元素,其他元素发生聚变时都会释放能量,而铁元素发生聚变不但不会释放能量,反而需要吸收能量。
也可以从微观层面理解这个问题。宇宙万物都是由原子构成的,原子由原子核和电子构成,原子核由中子质子构成。
微观粒子之间存在着强大的相互作用,比如说原子核的核子之间,具有强大的强相互作用,要想把它们分开,需要巨大的能量,这种能量我们称之为“结合能”。
除了结合能,还有“比结合能”,也就是结合能与核子数量的比值,两者之间的关系相当于GDP与人均GDP的关系。
比结合能更能体现原子的稳定性,比结合能越大,原子就越稳定,意味着需要更多的能量才能把核子分开。
而在所有元素当中,铁元素的比结合能是最大的,所以铁元素最稳定。通俗理解,比铁元素更轻或者更重的元素都倾向于倒向铁元素。
所以,一般我们认为,聚变到铁元素之后,恒星其实已经死亡了。
但是铁元素显然不是最后的元素,也不是最重的元素。至今为止,人类已经发现了118种元素,其中92种是天然元素。比铁更重的元素有很多,它们到底是如何产生的呢?
刚才说了,恒星核聚变到铁元素之后就戛然而止了,但这并不意味着铁元素不会发生核聚变,但需要异常苛刻的条件,恒星是很难达到这种条件的,需要更猛烈的宇宙事件才能实现。
总的来说,有两种方式让铁元素继续发生聚变。
第一就是超新星爆发,堪称宇宙大爆炸之后最猛烈的宇宙事件。大质量恒星在燃料耗尽之后,没有了核聚变来对抗引力,在超强引力的作用下,恒星物质开始急剧向内坍缩,在核心制造出无与伦比的高温高压,提供了足够多的能量足以让铁元素吸收然后发生聚变,聚变成更重的元素。
超新星爆发之后,会把各种元素,包括重元素抛洒到浩瀚星际空间,这种元素成为新一代恒星行星的原材料。
还有一种方式就是中子捕获,通常出现在恒星走向死亡的阶段,也就是恒星演化末期。在恒星超高温环境中,铁56会捕获中子形成铁57,之后释放出电子,形成钴57。这个过程会重复上演,钴也会通过中子捕获形成比它更重的元素。
可以看出,不管哪种方式,铁元素都是基础,以铁元素为基础才能形成更重的元素。
总的来说,恒星核聚变到铁元素就宣告了它的死亡。但恒星的死亡并不是意味着一切的结束,而是以另一种形式重新开始,比如说超新星爆发等。
我们要感谢铁元素,更要感谢超新星爆发等猛烈的宇宙大爆发,它们就像宇宙中的“冶炼工厂”那样,不断制造出各种元素,创造出如今我们看到的丰富多彩的世界。
或许你不知道,如今我们穿戴的金银首饰等各种重金属配件,其实都是亿万年前超新星爆发过程中产生的。看到这里,你是不是会有不一样的感慨呢?