恒星中产生了铁元素后,那些铁元素(由于最重)向恒星中心集中,那周围的那些轻核元素可还是再聚变反应啊,这个时候铁元素周围依然有百亿度高温,按道理铁元素在这样的温度下还可以继续聚变啊,怎么就到铁元素为止了?


想要较为整体地了解这个过程及原理,我们先来做个热身。

既然我们已经知道了恒星中的核聚变到Fe为止,不妨来看一个图。

这张图乍一看似乎是跟我们已有的印象是相符的。(Fe在图像上是一个很特殊的点)

这张图叫做比结合能曲线。那么,什么叫做比结合能呢。wiki的介绍是这样的:

Nuclear binding energyis theminimumenergythat would be required to disassemble thenucleusof anatominto its component parts. These component parts areneutronsandprotons, which are collectively callednucleons. The binding is always a positive number, as we need to spend energy in moving the nucleons away from each other (attracted by strong nuclear force). Themassof an atomic nucleus is less than the sum of the individual masses of the freeconstituentprotons and neutrons (according to Einsteins equation E=mc2) and this missing mass is known as themass defect, and represents the energy that was released when the nucleus was formed.

简而言之,所谓的binding energy,就是把自由的核子,拼成一个原子核,它所释放的能量。也即,把一个原子核拆成核子所需要的能量。而所谓的比结合能,便是这些能量平均到每一个核子。即结合能除以核子数,B/A(A=Z+N)。

好了,知道了比结合能。再回过头来看比结合能曲线。你便会发现,Fe的特殊之处在于,他的比结合能是最大的。这意味著什么,著意味著拆开一个Fe核需要花更大的力气。我们不妨通过一个核反应来感受一下binding energy对于衡量核反应释放的能量作用。以氘氚的聚变为例:

由上,我们大致有这么一个概念:一个核反应所释放的能量等于末态核与初态核的结合能之差。

然后再回到比结合能曲线,我们假设铁核能够自发聚变,那么它的Q值大抵是负值。也就是说它是个吸能反应。

可是知道它是吸能反应,还并没有完全解决题主的疑惑。

你会说,我知道它是吸能反应,可是有能量啊,有能量它怎么不吸呢。

有能量它就要吸吗?

那你就要看看它这个聚变的能量是用来干嘛的。

首先,我们知道恒星是存在引力作用的。引力的作用是把物质向质心挤压。

然后,我们知道恒心的演化是有一个过程的,这个过程中一定存在另外一个力,去抵抗引力的挤压。这个力就是来自于恒心核自发聚变产生的热压力。而当热压力越来越小,引力将会使得恒心塌缩得越来越小。

然后铁过来跟你说:我看你还有这么多能量,分给我一点来聚变吧。

氢:有句mmp不知当讲不当讲。

氦:我们之中出了一个叛徒!

碳:我是碳,我现在慌得一逼。

……

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有同学@ @Asimov Louie 问到重元素的生成过程,在此解释一下。

通常,我们把两个核的聚合产生新的核的过程称之为聚变。如果说一个核俘获一个核子产生新的核,这个过程我们一般不称为聚变。

因此,关于重元素的产生,我们并不必要通过Fe核聚变的方式,我们可以通过俘获一个核子去产生比铁更重的元素。

References:

[1] Nuclear binding energy

[2] Introduction to Modern Nuclear Physics,Qun Wang.

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最后,麻烦题主改一下题目。

你这样又是句号又是问号的,

看著我很难受啊。


确实可以继续聚变,无论外层的轻元素还是核中心的铁。

但是当铁试图聚变时,铁聚变吸收能量而不释放能量,恒星核心因此变冷而开始坍缩。

因此更重的元素并不会在核心产生,而是超新星爆炸时产生的。


氢聚变,氦聚变,碳聚变……一直到形成铁元素为止。铁元素可以聚变,但铁元素是吸收能量,并不会产生能量。

为什么恒星中不存在比铁重的元素??

www.zhihu.com图标为什么恒星中不存在比铁重的元素??

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也不是说到产生铁元素恒星的聚变反应就停止了,而是在聚变出铁之后,恒星生命便进入倒计时了。

聚变产生铁元素是一个分界线,意味著之后聚变反应会吸收能量。铁元素在恒星的核心产生后,之后的聚变反应会使原本稳定的恒星日趋失稳。类似于滚油里泼冷水。


放能的核反应,即使粒子动能不够,也可以通过量子隧穿效应穿过过高的势垒,比如太阳中心的「质子-质子链」反应,发生双质子聚变反应(这个反应依赖于弱相互作用,其中一个质子俘获电子转化为中子,产物为氘核。)的质子比例远高于1500万K下具有足够动能的质子比例,唯一的解释是不确定性原理允许粒子在极短的时间里处于负动能状态。


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