核聚变
首先,我们要搞清楚什么是核聚变反应?
实际上,核聚变反应就是指原子核相互结合的一种反应,两个比较小的核结合成一个更大的核,因此也被称为核融合。宇宙诞生之初,主要的元素就是氢和氦,这两个元素是元素周期表最靠前的两个元素。
并不是说,在那个时候没有形成原子序数更高的元素,只是因为那些元素还不够稳定,因此,又裂变为氦原子核了。我们从元素周期表中也能看出,原子核比氢原子核和氦原子核大的元素原子核多了去了,现在的元素周期表都已经可以排到110多位,而且还没有达到尽头。也就是说,宇宙诞生之后,在宇宙中形成了许多大的原子核,铁元素原子核算是其中的一员,但并不是最大的原子核。因此,核聚变到产生铁元素就停止是不合理的。如果是这样,那元素周期表到达铁元素就应该停下来。那核聚变到底是到哪会停下来呢?
实际上,至今我们也不清楚,关于元素周期表的尽头到底在哪,至今也没有一个靠谱的理论可以给出答案。但就目前来看,想要合成比铁更重的元素,只要能量给到足够高就可以做到。不仅我们人类可以做到(但做不到大批量的),如今我们已经能合成到118号元素了。
在宇宙中的一些极端条件下也能做到。人类的方法其实就是通过实验来合成。那宇宙中是如何合成比铁元素原子序数更大的元素的呢?还有为什么铁元素是一个经常被人提及的元素呢?
今天,我们就来详细说说这两个问题。
恒星核聚变
在宇宙中,合成比氦元素更大号的元素主要依靠的就是恒星。恒星的内核可以发生核聚变反应。一般来说,由于氢原子核的核聚变反应所需要的门槛是最低的,而且构成恒星的主要元素也是氢元素,因此,恒星的氢原子的核聚变反应会先被点着,4个氢原子核通过核聚变产生氦原子核。
为何铁元素是一个节点?
当氢原子核被消耗得差不多时,只要恒星的质量足够大,就可以继续点燃氦原子核的核聚变反应,生成碳原子核和氧原子核。同样的,只要质量足够大,就还可以继续引发碳原子核,氧原子核的核聚变反应。于是,你很容易发现,这个过程其实就是沿着元素周期表从小到大的方向演化,最后一直到铁元素。
之所以铁元素是一个节点,是因为铁是已知的所有元素中最稳定的元素(从原子核的层面来看)。我们也把铁元素称为是比结合能最高的元素。这就意味着,要让铁原子核发生核聚变反应是非常困难的。原子序数小于铁元素的原子核都可以通过核聚变反应释放能量,同样的,原子序数大于铁元素的原子核都可以通过核裂变反应释放能量。它们都有向铁方向靠的趋势,这是因为,在宇宙中,万物都有一个趋势,那就是趋向于稳定。
如何合成原子序数比铁更高的元素?
要让铁元素发生核聚变,并不是不可能。但是这需要极为苛刻的条件,而且是一笔赔本的生意,整个过程要输入大量的能量,而释放的能量很少,输入要远比输出大。在恒星内核中其实很难实现,一般来说,只有两个极端的天文学现象才可以实现。
首先,超大质量恒星演化到末期时,会爆发超新星爆炸,在这个过程中,就可以形成原子序数大于铁的元素。
超新星爆炸是十分壮丽的天文学现象,它的亮度常常会达到一个星系的亮度,如果距离我们不算非常遥远,我们甚至可以在白天看到它。而超新星爆炸之后,常常会留下中子星或者黑洞。
而远比超新星发生的概率还低的是中子星合并,其实就是两颗中子星相遇了,然后合并到了一起,这个过程中也会形成大量的高顺位元素,比如:金。
在宇宙中,超新星爆炸已经算是不经常能见到的现象了,中子星合并更是少之又少,这也是为什么金元素很少的原因。所以,我们会发现,想要让铁元素发生核聚变反应真的是一件非常难的事情,但并不是说铁元素不能发生核聚变反应,事实上是可以的,只要条件要给够就可以。不过这个条件是极为苛刻的。