恒星的核聚变
按照如今的主流理论,宇宙起源于一次大爆炸。大爆炸之后,早期的宇宙逐渐形成各类粒子,最终在38万年后,温度降低到3000度左右,原子结构得以形成。这也奠定了宇宙的已知物质的基本成分,主要是氢原子和氦原子,两者占到了99%以上,而氢原子达到了70%以上。
之所以是氢原子和氦原子,原因也十分简单,就是它们的原子核质子数和中子数相对少,是元素周期表最靠前的两个元素,不需要非常极端条件就可以形成。
而宇宙中还存在着大量的其他元素,那这些元素到底咋来的呢?经过几代科学家的研究之后,我们现在基本上搞清楚了。整个过程大致是这样的,在宇宙中分布这大量的分子云,一般来说,如果没有什么意外,分子云也就这样的了。
但是有时候,因为某些意外,导致分子云某个位置引力平衡被打破,于是,在引力的作用下,就会逐渐形成恒星。(太阳也是这样来的。)而在形成恒星的过程中,还会有一些边角碎料,这些边角碎料最终就会形成行星。
正如我们上文所说的那样,由于宇宙早期形成的元素主要是氢元素和氦元素。因此,恒星一般都是由氢元素和氦元素构成的,尤其主要的是氢元素。在引力的作用下,恒星的温度会飙升到非常高的程度,就拿太阳来说,可以达到1500万度。那些特大质量的恒星在演化的末期,内核温度可以飙高到几十亿的水平。
在这种状态下,恒星一般都是呈现等离子态的,说白了就是原子结构保不住了,电子和原子核到处乱串。
而恒星还会在引力的作用下,开始核聚变反应。首先是氢原子核的核聚变反应。我们可以把恒星看成是一个炉子,那燃料就是氢原子核,而炉渣就是氦原子核。
当氢原子核烧完之后,只要恒星质量足够大,就可以点燃氦原子核的核聚变。这时的恒星就好像换了一下档位,燃料是氦原子核,炉渣是碳原子核和氧原子核。
(太阳就会停留在这一步,然后最终成为一颗白矮星,直到凉透。)
如果恒星质量依旧足够大,这时候就会继续换挡,碳原子核的核聚变反应就会被点燃,这时候的燃料就是碳原子核,而炉渣有氧原子核,氖原子核,镁原子核,硅原子核,硫原子核等元素原子核。
除了碳原子核会进行核反应,实际上,氖原子和氧原子核也会进行核聚变反应,只不过是在不同的温度区间,以及路径不太相同罢了。
而我们会发现,整个核聚变反应的过程会最终达到铁元素。
只不过,特大质量的恒星由于内核要触发的核聚变反应所需要的温度特别高,导致外层的温度也特别高,于是,恒星外层也开始发生核聚变反应,每一层的核聚变反应都不太一样。因此,此时的恒星就像是一个洋葱头一样。
那为什么独独核聚变反应到了铁元素原子核呢?
比铁更重的元素的产生
如果我们从原子核的层面来看,铁原子核其实是最稳定的,这也被叫做比结合能最大,因此掰开铁原子核是最费劲的。
也就是说,如果要让铁原子进行核聚变反应的难度特别高,反应所需要的能量要大于反应所产生的能量,也就是说,这是一个赔本的买卖。
虽然是这样,但是由于特大质量恒星的引力巨大,因此它们还能够促发铁原子核的核聚变反应,在这个过程中,光子会击碎原子核,释放出中子和质子,然后,质子会和自由电子发生反应,并生成中子和中微子。最终,在引力的作用下,恒星的内核收缩成一个绝大部分都是由中子构成的中子星。
如果引力特别大,还有可能直接产生黑洞。
与此几乎同时,恒星还会发生超新星爆炸,在这个过程中会形成许多比铁元素原子序数更高的元素。
不过,宇宙中比铁元素原子序数更高的元素,只是一部分来自于超新星爆炸,还有一部分其实来自于中子星的合并,尤其是像金元素和银元素等更顺位的元素。
所以,最后我们来总结一下,恒星的核聚变反应都是先从氢原子核开始,然后是氦原子核,再然后是碳原子核,氧原子核,氖原子核……一直到铁原子核。而铁元素之后的元素主要来自于超新星爆炸和中子星合并。