当恒星核聚变到元素周期表上铁元素就停止了,那么铁元素以上那些元素是如何诞生的?
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关于元素的来历,教科书上告诉我们宇宙大爆炸产生了氢、氦和微量锂元素,恒星核聚变将诞生从氦到铁之间的大部分元素,铁以后的元素是怎么来的?一般只会交代一句是从超新星爆发中诞生的,但问题是它们怎么就从超新星中诞生了呢?
恒星上的元素是怎么发现的?也许我们得从牛顿的分光实验开始说起,听说牛顿是为了躲避瘟疫回到家乡乌尔斯索普,结果在那里不但发现了万有引力,还通过三棱镜将太阳光分解成了七色,不过牛顿并未在这个问题上过多纠结!
1802年英国物理学家沃拉斯顿在牛顿分光实验的三棱镜前加入了狭缝,取得了一幅带暗线的连续光谱,沃拉斯顿并不太明白这有什么含义,因此并未被重视。
1814年德国光学专家夫琅和费制成了第一台分光镜,发现了明线光谱。
1858年秋到1859年夏,德国化学家本生发明一种煤气灯,将各种金属放在灯上燃烧,发现了明线光谱的差异,从而发明了光谱分析化学元素的方法。
到十九世纪末天文学家已经发现了太阳光中的元素光谱包括氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素!但当时并不清楚这些元素是怎么来的,只是很奇怪太阳上怎么也会有和地球上很多类似的元素呢?
恒星元素从氦到铁的过程要理解恒星的元素聚变过程,也许我们要从发现太阳开始说起,太阳上的元素是怎么来的还跟史瓦希有关,因为是他根据温度以及密度和压力一起计算后认为太阳这种等离子天体可能是辐射为内核与外壳传递能量的方式!
1920爱丁顿提出太阳的能量可能来自于氢聚变成氦产生能量,并且认为这个过程可能会产生更重的元素,因此爱丁顿在1926年根据理想气体为基础,以太阳氢元素为主的模型计算出太阳内核的温度可能为1900万度左右。
1928年伽莫夫根据太阳内核的温度推导出氕氕聚变成氘的条件,原本爱丁顿计算的太阳温度并不足以引起氕氕聚变,但伽莫夫解决了质子如何穿透库伦壁垒完成聚变的量子力学公式。
1939年汉斯贝特则发现了质子-质子反应链以及碳氮氧循环是太阳上两种能量来源,而在太阳这个规模上,质子链反应占主要地位,而碳氮氧循环则比例比较小。
到此为止元素的聚变环节已经通了,恒星和太阳原理一样,唯一不同的就是质量!我们接下来说说这些元素聚变的过程!假如一颗恒星质量足够,那么它能将从氕开始一路到镍56:
氕→氘→氦-4 → 铍-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 镁-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56
很多人以为只到铁,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,因此说聚变到铁就停止了其实没啥大毛病,镍-56的衰变过程:
镍-56的半衰期为6.02天,以β+衰变成为钴-56(半衰期77.3天)最终衰变为铁-56
但更准确的说,恒星内部聚变到铁并不准确,因为这个半衰期完成前,恒星早已超新星爆发!
铁以后的元素是怎么诞生的?
相信很多朋友都已经接受重元素在超新星爆发和中子星合并过程中诞生,但其实在这两个过程之前,重元素早已偷偷的在产生了,而这个过程就是慢中子捕获和快中子捕获!
慢中子捕获我们先把中子捕获这个事情搞明白,这是轻原子核向重原子核转变的一个重要步骤,它主要发生在红巨星内部,轻原子核可能会捕获多个中子,但中子多了会不稳定,通过β衰变释放出一个电子和一个反中微子变成质子,成为质子数+1新的重元素,当然过程并不如这样轻描淡写,但基本原理就是如此!慢中子捕获很难发生,但在红巨星庞大体积的内部产生的总量却不容小觑,据估计恒星内部大约有一半重元素由慢中子捕获产生!
快中子捕获快中子捕获其实和慢中子捕获原理是一致的,所不同的就是快中捕获需要铁原子核为基底,而这个过程伴随着超新星爆发时内部的超强中子流快速完成捕获过程,超新星后中子流结束,快中子捕获过程也将结束,尽管时间很短,但它合成了另一半重元素。
中子星合并其实这是另一个版本的快中子捕获,或者中子星或者的β衰变产生,因为中子星物质衰变是从大量中子聚合体的衰变,因此产生重元素的概率极高,因此天文学家认为重元素、特别是金元素等贵金属元素都是从中子星合并中产生。比如2017年的探测到引力波的两颗中子星合并,天文学家认为产生了数个地球质量的黄金,但很可惜我们够不着!
元素的来历就这几种,当然高能加速器中也能制造新元素,不过成本极高而效率却极差,仅仅只能做研究没有实用价值,因此基本上我们人类根本不能替代恒星自己制造元素,即使未来核聚变实现也不行!
其他网友观点铁元素以上的重元素,理论表明,是为在学术上被称为中子俘获过程的相互作用产生的。
铁元素聚变在恒星核聚变的整个周期里,是一个重要的分水岭——对于大质量恒星而言,在聚变出铁元素时,事实上已经踏上不归路了。
这类恒星会在铁核的坍缩下进一步释放巨大的重力势能和核能,把整个恒星体炸的粉碎,即超新星爆炸。
铁核为何如此特殊,成为恒星的杀手锏?铁核之所以如此特殊,关键在于它很高的比结合能。
原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核的结合能,而比结合能为结合能和核子数(质子数+中子数)的比值,比值越大,原子核越稳定,而铁元素是这个比值最大的。稳定的铁核在试图进一步聚变时,吸收的能量大于聚变释放的能量,巨大的恒星外壳没了聚变辐射压的抵抗,在引力的作用下向中心快速落下,铁核被整个外层恒星体挤压拍碎,瞬间释放落下的巨大重力势能,恒星由此被炸的粉碎。
产生比铁元素还重的重元素的中子俘获过程是什么?在恒星中心,压强极大,温度高达数千万摄氏度,氢核以极高的速度到处碰撞。但即便如此,如此巨大的动能在克服氢核(质子)之间的库仑力进行核聚变仍有困难。
但微观粒子的行为在细微的时空结构下具有的量子隧穿效应,使得质子在突破库伦壁垒进行核聚变时,变成了一种概率行为,大量的碰撞使得聚变成为了可能。
库仑力使得聚变变得困难,但量子隧穿效应使得聚变又成为可能。
在超新星爆发的过程中,会释放大量的中子,中子不带电,这是我们中学课本里就知道的,因此中子之间也不会有库仑力。这样一来,核子在结合中子时就变得容易多了,于是就能俘获大量的爆发产生的中子,使得整个核子(铁原子核)的核子数增大。
这样的核子并不稳定,为了保持稳定,核子会发生弱相互作用,进行β衰变,所谓的β衰变,可以理解为中子变成质子的过程,这样一来,质子数增多了。
不同元素之间的不同之处就在于质子数的不同,在增大的质子数后,铁原子核及其以下的原子核就能变成铁元素以上的元素,这就是重元素的来源。
欢迎关注挡不住的熵增,有其他问题请留言评论,谢谢。其他网友观点铁元素是一种非常神秘的元素,它需要极为巨大的能量和温度才会发生核聚变,因此铁元素的核聚变反应是非常特殊,当然对于普通的恒星来说,更不可能完成将铁进行核聚变的能力!那么比铁更重的元素来自于哪里呢?
首先我们知道,太阳是一个巨大的核熔炉,它是一个等离子氢气球,很多都把太阳比作为大火球,认为燃烧着熊熊的火焰,实际上太阳是在燃烧,当时燃烧的是氢。太阳是一个巨大的洋葱,如果将太阳剥开,你会发现它一层一层的,在最上边的元素是氢,最下面的元素则是铁。那么地球上的金银铜都是如何来的呢?
实际上这源自于一种名为恒星末期的演化,也就是超新星爆发。超新星爆发是非常恐怖的宇宙现象,在几秒内释放的能量,是太阳的千亿倍,因此具有着极为强大的破坏性。那么超新星是如何形成的呢?
我们知道像是太阳这类的恒星,由于它的质量因素,它在膨胀之后,无法锁定表面的大气层,因此这些大气层会被吹散到太空中,而太阳也会变为一颗致密的天体,它就是白矮星。但是太阳只有一颗非常普通的恒星,在我们所处的银河系中,恒星的数量多达4000亿颗,这是一个无比庞大的数量。
在一些超大质量的恒星,由于大量的铁在内部堆积,导致体积变得无比的巨大,由于质量过于的庞大,它的外层不会被自身的太阳风吹散,因此引力会将它进行压缩,在这一过程中,随着体积越来越大,来自核心的压力和温度也会越来越高,这一过程中,大量的铁会会被压缩在一个之谜的核心中,虽然压力越来越强,最终恒星的外壳会被引爆。
这种引爆来自于星核的内部,当星核再也无法承受这种强大的压力后,它就会变得极为的不稳定而形成导火索,最终将恒星由内而外进行点燃,最终造就超新星爆发,在超新星爆发的过程中,恒星之内的核心会被留下来,而它外层大量的元素,例如氢、氦、氧、氮、氖等元素会在超高温的作用下形成更重的金属元素,这些金属元素其中就包括了金、铂、铅等更重的元素。随着宇宙的膨胀,这些元素散落到宇宙的各地,最终形成了今天的世界。
第二种说法这些比铁更重的元素来自于名为中子星的神秘天体,大家有疑问,中子星无论是质量还是重力和引力都是十分恐怖的,任何物质都无法逃逸,因此这些物质不可能逃逸中子星。但是当中子星在吞噬周围的伴星时,以及和另一个中子星发生碰撞的时候,这种能量就会释放,这种现象名为:中子星爆发。一种比超新星还要可怕的现象,不过并不常见,并不是每颗恒星系都能出现两颗中子星这种神秘天体的!
首先中子星在和中子星相互碰撞时,本身它内部的构造就是由铁重的元素组成,因此这些物质在碰撞的过程中,大量的物质会被散射到宇宙的各个地方,但是中子星的碰撞后,会形成黑洞,因此大量的物质是无法逃脱黑洞的引力。这也是一个令科学家质疑的难题!
而中子星最终的寿命就是塌缩为黑洞,在塌缩的过程中,它的能量会大量的外泄,随着外泄的能量越来越大,它的自转速度就会越来越快,最终变为脉冲星,而脉冲星在释放的大量的电磁脉冲中,也是有可能会存在着比铁更重的元素,不过目前这一理论尚未证实!
通过以上答案,我相信你已经知道这些重金属是如何来的了,没错它们都来自于遥远的宇宙中,无论是超新星爆发,还是中子星融合,这都是很难见到的,据悉每50年,就会有一颗恒星死亡,但是能否形成超新星,这就看运气了。因此超新星爆发被称为百年难遇的天文现象!
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