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構(gòu)成我們的物質(zhì)從何而來,為何鐵元素是核聚變的終結(jié)者?

其實真是一個很好的問題,它主要涉及到宇宙大爆炸、恒星內(nèi)部的機制以及超新星爆炸,我們可以按時間線捋一捋這個問題到底是咋回事。

宇宙大爆炸

話說,我們的宇宙起源于一次大爆炸。

這是目前主流的看法,主要的證據(jù)有宇宙微波背景輻射,氦豐度,以及哈勃觀測到的星系的退行。詳細點說,就是哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙里的星系正在遠離我們,但是不是星系在動,而是它們所在的空間在膨脹,我們觀測就會感覺好像是在退行。如果把時間往回追溯,那宇宙最早不就是一個點?

從宇宙大爆炸出發(fā),科學(xué)家不斷地完善宇宙模型。而按照目前的理論,宇宙大爆炸之后,1秒內(nèi)特別精彩,如果總結(jié)一下就是:

空間:宇宙膨脹得超級快,在10^-33秒內(nèi),經(jīng)歷100次加倍,空間變大為原來的10^30倍,這也被稱為大暴脹。

物質(zhì):一開始宇宙充滿能量,沒有任何物質(zhì),慢慢地,各種比原子尺寸小的粒子出現(xiàn)了,諸如:質(zhì)子、電子、夸克等等

作用力:四大作用力也分離了出來,分別是:強相互作用力、弱相互作用力、電磁力,萬有引力。它們是萬物的粘合劑,如果沒有四大作用力的柞村,就不會有物質(zhì)的存在,不會有太陽,更不會有地球和我們,宇宙萬物將成為一片散沙。

這些事情都發(fā)生在宇宙大爆炸的第一秒內(nèi),宇宙的溫度,密度都降了下來,在大概30萬年后,質(zhì)子俘獲電子形成了中心的原子。

所以,我們宇宙當(dāng)中,大量的元素都是氫和氦,這是前兩個順位的元素,原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)都特別少,氫只有一個,而氦只有兩個。氫和氦的占比超過了99%。那其他大號的元素到底從哪里來呢?

恒星

而產(chǎn)生更大順位的元素就需要更強的外界作用才行,在宇宙大爆炸之后的5億年之前,宇宙是一片漆黑的,因為沒光源。宇宙中的主要成分就是一些氣態(tài)物質(zhì)。這些氣態(tài)物質(zhì)在引力下慢慢地形成了密度稍微高一些的氣體云塊,然后再逐漸形成了恒星。所以,第一代恒星大概出現(xiàn)在宇宙大爆炸之后的5億年前后。

那恒星為什么會發(fā)光呢?

這其實是因為核心內(nèi)部有聚類的核聚變反應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)沒有核聚變反應(yīng)前后,有可能會造成原子序數(shù)變大,說白了就是產(chǎn)生更高順位的元素。不過,恒星內(nèi)部的核反應(yīng)要比普通的氫核聚變復(fù)雜一下。主要是有兩種方式,

一種叫做:質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)鏈(簡稱P-P鏈),最終生成氦-4

另外一種叫做:碳氮氧循環(huán),最終也是生成氦-4,其中碳氮氧以及少量氟在這個過程中會充當(dāng)反應(yīng)的催化劑。

這兩種反應(yīng)是漢斯貝特等科學(xué)家提出來,并且得到了觀測的驗證。他們的理論還影響了粒子物理標準模型,并且獲得了諾貝爾獎,可以說是相當(dāng)堅實的理論。

所以,恒星在主序星時期,會燃燒氫(核聚變),生成氦-4。質(zhì)量不同的恒星,其實內(nèi)部的情況或多或少有些差異,主要就是PP反應(yīng)鏈多一點,還是少一點的問題。而之所以可以發(fā)生核聚變反應(yīng),是因為自身引力導(dǎo)致中心溫度升高,加上量子隧穿效應(yīng),最終達到了可以點燃氫的水平,就會發(fā)生核聚變反應(yīng)。

元素?zé)挼t&超新星爆炸

恒星在主序星時代結(jié)束時,會變成紅巨星或者超紅巨星。

這是因為由于質(zhì)量的減少,自身引力減弱,導(dǎo)致引力無法與核心核聚變反應(yīng)產(chǎn)生向外的壓力抗衡,所以會膨脹起來。我們以太陽為例來分析,就是下面這樣:

緊接著,恒星會繼續(xù)燃燒氦,然后是碳,氧等,發(fā)現(xiàn)沒有,開始有其他元素的出現(xiàn)了。大多數(shù)的恒星其實都停在了鐵元素之前,這是因為鐵元素太穩(wěn)定了,它核聚變反應(yīng)所需的能量比所釋放的能量還要多,這不是入不敷出了么?所以,如果質(zhì)量不夠大的恒星,一般來說說就會停在鐵之前。

如果質(zhì)量足夠大,那恒星由于自身引力足夠大,還會繼續(xù)壓縮核心,溫度不斷升高,最終達到鐵核聚變反應(yīng)的條件,然后發(fā)生超新星爆炸。

超新星爆炸由于能量巨大無比,就會可以合成順位在鐵之后的元素,宇宙中大號的元素基本上都來自于一場場超新星爆炸。

所以,我們可以來總結(jié)一下,

  1. 宇宙大爆炸之后,宇宙中主要的元素是低順位的氫和氦。

  2. 隨后,恒星出現(xiàn)了,他們是元素的煉丹爐,在恒星核心處可以合成鐵元素之前的元素。

  3. 而鐵元素之后的元素要依靠超新星爆炸的能量才能夠合成。

  4. 鐵并非是終結(jié)者,它只是很穩(wěn)定,它的核聚變反應(yīng)所需要的能量比反應(yīng)產(chǎn)生的能量高,因此只有超新星爆炸才足以引發(fā)鐵的核聚變反應(yīng)。

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