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核聚變的終點!為何鐵會成為恒星壽命的「殺手」?什麼阻止了它
2023/08/17

太陽,是地球的恒星,也是地球上所有生命得以存在的原因,就連我們生活的這個星系都以它的名字命名。太陽之所以能散發出如此巨大的能量, 得益于它的核心一直在進行的核聚變反應,然而科學家們逐漸發現,即使能產生龐大的能量, 核聚變也存在著自己的極限

如同魔法一般的核聚變

不過,我們還是需要先來了解一下核聚變是什麼。 核聚變,也被稱為核融合反應,氫原子可以通過核聚變結合形成氦,并釋放能量。

太陽的核心是唯一能進行核聚變的地方,在這里,每秒鐘大約有 3.6×個氫原子核(質子)會被轉化成氦原子核,從而在短短一秒鐘的時間內,釋放出 3.87×焦耳的能量。如此巨大的能量, 相當于同時引爆9.1×百萬噸的TNT炸藥

核心像一台智能的電腦,隨時會修正核聚變的效率。

當速率太高時,熱膨脹會將質量推向外部,這一操作就能使得密度稍微下降,從而降低反應速率;修正過程會使得核心出現收縮和冷卻,這又會加速融合的效率,使其再恢復到原來的標準,在一次次微小的調整下,核聚變將保持在相對平衡的狀態。

不只是太陽,實際上, 所有恒星的核心都在進行著這樣精細又神奇的反應,在不斷地核聚變中,不同的原子與氦原子進行結合,變得越來越「重」,這個過程像鏈條一樣清晰可見: 碳 → 氧 → 氖 → 鎂 → 硅 → 硫 → 氬 → 鈣 → 鈦 → 鉻 → 鐵

哎哎,等一下,元素表上可不只這幾個元素啊,鐵后面的呢?

核聚變為什麼到鐵就結束了?

在很多科普文章中,都提到鐵是核聚變的終點,常見的說法是這樣的:

鐵具有最大的比結合能,因此鐵核最穩定。其他核聚變成鐵核是釋放能量的反應,但鐵核聚變將吸收能量而不是釋放能量,所以重核聚變到鐵為止。

這里提到的 比結合能,可以簡單理解為分開緊緊抱在一起的核子的能量,也就是說, 比結合能越大,就證明核子抱得越緊密,由這些致密核子組成的原子,整體就更穩定

比結合能并不是一直向上增長的,而是像山坡一樣存在一個 峰頂,然而在這個峰頂附近,你不僅能找到鐵, 還能看到一個比它還要穩定的存在——鎳

Fe58的比結合能是 8792.23,而Ni62的數值可以達到 8794.60。按理說,鎳要更穩定才對,而且 星球的核心中也的確有鎳的存在,我們地球的核心就是一個鐵—鎳核心,但是為什麼鐵卻成了守在終點線上的那一個呢?

真正的終點

這是因為在核心中存在的鎳并不是鎳-62,而是 同位素鎳-56

這種元素會出現 衰變,半衰期只有6天。當恒星誕生后,鎳-56馬上就衰變成了鈷-56,隨后又變成鐵-56,而鐵則像個老大哥似的,站著不動了。

當恒星在不斷進行核聚變時,鎳-56也在出現,但是它很快就衰變了,最后,在核心中豐度最高的就只剩下鐵了。

那麼其他元素在哪里?恒星上發生的反應其實十分多樣且復雜, 一些比鐵和鎳更重的元素也可以出現,比如天文學家在紅巨星中就發現了锝

其他元素則會在 超新星爆發期間出現,這種爆發產生的能量是任何一顆恒星都無法產生的,也就是說,這些元素是在恒星形成前就出現的了。

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