恆星中產生了鐵元素後,那些鐵元素(由於最重)向恆星中心集中,那周圍的那些輕核元素可還是再聚變反應啊,這個時候鐵元素周圍依然有百億度高溫,按道理鐵元素在這樣的溫度下還可以繼續聚變啊,怎麼就到鐵元素為止了?


想要較為整體地瞭解這個過程及原理,我們先來做個熱身。

既然我們已經知道了恆星中的核聚變到Fe為止,不妨來看一個圖。

這張圖乍一看似乎是跟我們已有的印象是相符的。(Fe在圖像上是一個很特殊的點)

這張圖叫做比結合能曲線。那麼,什麼叫做比結合能呢。wiki的介紹是這樣的:

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.

簡而言之,所謂的binding energy,就是把自由的核子,拼成一個原子核,它所釋放的能量。也即,把一個原子核拆成核子所需要的能量。而所謂的比結合能,便是這些能量平均到每一個核子。即結合能除以核子數,B/A(A=Z+N)。

好了,知道了比結合能。再回過頭來看比結合能曲線。你便會發現,Fe的特殊之處在於,他的比結合能是最大的。這意味著什麼,著意味著拆開一個Fe核需要花更大的力氣。我們不妨通過一個核反應來感受一下binding energy對於衡量核反應釋放的能量作用。以氘氚的聚變為例:

由上,我們大致有這麼一個概念:一個核反應所釋放的能量等於末態核與初態核的結合能之差。

然後再回到比結合能曲線,我們假設鐵核能夠自發聚變,那麼它的Q值大抵是負值。也就是說它是個吸能反應。

可是知道它是吸能反應,還並沒有完全解決題主的疑惑。

你會說,我知道它是吸能反應,可是有能量啊,有能量它怎麼不吸呢。

有能量它就要吸嗎?

那你就要看看它這個聚變的能量是用來幹嘛的。

首先,我們知道恆星是存在引力作用的。引力的作用是把物質向質心擠壓。

然後,我們知道恆心的演化是有一個過程的,這個過程中一定存在另外一個力,去抵抗引力的擠壓。這個力就是來自於恆心核自發聚變產生的熱壓力。而當熱壓力越來越小,引力將會使得恆心塌縮得越來越小。

然後鐵過來跟你說:我看你還有這麼多能量,分給我一點來聚變吧。

氫:有句mmp不知當講不當講。

氦:我們之中出了一個叛徒!

碳:我是碳,我現在慌得一逼。

……

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有同學@ @Asimov Louie 問到重元素的生成過程,在此解釋一下。

通常,我們把兩個核的聚合產生新的核的過程稱之為聚變。如果說一個核俘獲一個核子產生新的核,這個過程我們一般不稱為聚變。

因此,關於重元素的產生,我們並不必要通過Fe核聚變的方式,我們可以通過俘獲一個核子去產生比鐵更重的元素。

References:

[1] Nuclear binding energy

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

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最後,麻煩題主改一下題目。

你這樣又是句號又是問號的,

看著我很難受啊。


確實可以繼續聚變,無論外層的輕元素還是核中心的鐵。

但是當鐵試圖聚變時,鐵聚變吸收能量而不釋放能量,恆星核心因此變冷而開始坍縮。

因此更重的元素並不會在覈心產生,而是超新星爆炸時產生的。


氫聚變,氦聚變,碳聚變……一直到形成鐵元素為止。鐵元素可以聚變,但鐵元素是吸收能量,並不會產生能量。

為什麼恆星中不存在比鐵重的元素??

www.zhihu.com圖標為什麼恆星中不存在比鐵重的元素??

www.zhihu.com圖標

也不是說到產生鐵元素恆星的聚變反應就停止了,而是在聚變出鐵之後,恆星生命便進入倒計時了。

聚變產生鐵元素是一個分界線,意味著之後聚變反應會吸收能量。鐵元素在恆星的核心產生後,之後的聚變反應會使原本穩定的恆星日趨失穩。類似於滾油裏潑冷水。


放能的核反應,即使粒子動能不夠,也可以通過量子隧穿效應穿過過高的勢壘,比如太陽中心的「質子-質子鏈」反應,發生雙質子聚變反應(這個反應依賴於弱相互作用,其中一個質子俘獲電子轉化為中子,產物為氘核。)的質子比例遠高於1500萬K下具有足夠動能的質子比例,唯一的解釋是不確定性原理允許粒子在極短的時間裡處於負動能狀態。


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