一直以来,都有一种说法,那就是恒星的恒聚变反应会一直到铁为止就结束。这话看起来当然没错,但并不代表,核聚变到了铁之后就不能进行了。其实恒星也不是只能到铁,在特大质量恒星演化的晚期,其实恒星内核中就会出现一些原子序数比铁高的元素原子核,比如:元素锌,只是含量很少很少而已。
核聚变反应
因此,其实这里面还是有很多说道。今天,我们就来简单地讲一下这个问题,科学家在研究具体的问题时,常常会先对研究对象下一个准确的定义。因此,我们也得先给“核聚变”下一个准确的定义,具体来说就是:
核聚变是原子核融合的核反应,是指把两个将两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核和一个极其轻的原子核(或者粒子)的核反应。
我们最常见的就是氢弹的原理,一般都是用很轻的氢原子核来实现。
如果我们注意看反应前后的生成物和反应物,就会发现,整个反应过程中,损失了一部分质量,这部分质量以能量的形式传播了出来。所以,这个过程是一个对外释放能量的过程。氢弹的转化率是0.7%左右,但威力已经十分巨大了。
这是因为这部分损失的质量对应的能量,是要通过爱因斯坦的质能方程E=mc^2来等价,其中c^2的数值就达到了9*10^16,而m是损失的质量,不管这个m有多小,乘以c^2这个因子都会是一个巨大的数字。
那么问题来了,只要是核聚变,就能释放出如此多的威力么?
实际上并不是,这也是这个问题的关键。即使是在恒星当中,为了引发原子序数更高的原子核的核聚变反应,也需要通过引力提升温度和压强,来达到反应条件。而且顺位在铁之前的元素原子核,原子序数越高,所需要反应条件越苛刻。
那为什么会是“铁之前的元素”?
最稳定的原子核
这是因为铁原子核最稳定。这该如何理解呢?
在自然界有个趋势,变化的过程基本上都是从高能量状态流向低能量状态,这就好像水往低处是一个道理。如果我们要在元素周期表中找到一个最稳定的原子核,那这个原子核就是铁原子核。
铁原子核之所以最稳定,是因为铁原子的比结合能最高。
铁之前的原子核的比结合能,基本上是随着原子序数的提升,到达铁时是最高的,然后这之后就会逐渐下降。
因此,在自然界中,铁之前的元素原子核都会聚合的趋势,铁之后的元素都有裂变的趋势,两者其实都是释放能量的过程。所以,原子弹虽然用的是核裂变反应,但实际上威力也不少。其实整个过程中也损失了质量,这部分质量以能量的形式扩散出去了。
超新星爆炸和中子星合并
要让铁原子核,甚至包括比铁元素序数更大的原子核,发生核聚变发生反应并不是可以。关键是,铁原子核的反应就需要吸收大量的能量,而释放出来的能量远远小于吸收的能量,所以这是一笔赔本买卖,并不符合能量从高往低的趋势。
要让这个反应进行,就需要极为苛刻的条件,并且输入足够高的能量。这个过程在自然界这种现象是很少见,但并不是说不存在。质量是太阳质量8倍以上的特大质量恒星在演化的晚期由于巨大的引力,就会促发铁原子核的核聚变反应,爆发超新星爆炸,同时产生大量的高顺位的原子核,超新星爆炸的亮度甚至可以达到一个星系的亮度。
而这个阶段过后,恒星的核心要么变成一个中子星,要么变成一个黑洞。而中子星是十分致密的天体,一勺子中子星物质就要上亿吨。而两个中子星之间如果相遇,就会发生超新星的合并,这个过程同样是十分剧烈的,一点不压力超新星爆炸。科学家目前已经能够在地球上探测到中子星合并所产生的引力波了。
在中子星合并过程中,也会产生大量的原子序数高于铁的元素原子核,其中我们熟悉的金元素和银元素绝大部分都是通过这个方式产生的。
也就是说,核聚变并不局限与铁元素之前。
实际上,铁之后的元素也是通过核聚变产生的,只是反应条件很苛刻,所以很少见,在宇宙中的含量也很低。
而我们地球上的高顺位的元素都是通过超新星爆炸和中子星合并而生成,后来,由于某些原因,这些元素被抛洒到了宇宙中,成为星云中的一部分。在地球形成过程中,在引力作用下,这些元素聚合到了地球上。
也就是说,人体内含有的元素,要么是宇宙初期形成的,要么原来是在恒星的内核核聚变而来,要么是超新星爆炸而来,要么是中子星合并而来。它们的年纪都要超过45亿岁以上,最年长的氢元素其实达到了138亿岁。