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為什麼恆星中不存在比鐵重的元素?

2019年06月11日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 6 ℃ 次

為什麼恆星中不存在比鐵重的元素,恆星為什麼一開始產生鐵元素就進入死亡期?

【海盜河馬的回答(42票)】:

這個問題完全是錯誤的。

1.太陽形成初期就有重元素

不能說恆星中不存在比鐵重的元素。實際上,很多恆星中都存在很多相當重的元素,比如鉑、鈾等等。基本上你能在地球上發現的元素,都沒什麼奇怪的,太陽上都有。

periodictable.com/Properti

這個鏈接裡可以看到具體的情況。

太陽是星族I的恆星,這是說太陽所在的這個環境過去曾經有過一顆恆星(星族II)。星族II的恆星所含的元素成分非常少,在演化和死亡的過程中製造了大量的重元素。這些重元素以塵埃的形式留在原地。之後重新形成了一個新的太陽系,所以太陽和地球在一開始就具有了大量的重元素。我們能在地球上發現金銀銅鉑這些貴重金屬,就是因為形成地球的環境中存在這樣元素的塵埃。所以今天的白金戒指的存在要感謝太陽的前世。這些金屬同樣也存在於太陽中了。

星族I恆星普遍存在於銀河系的盤上,是銀河系恆星的主體組成部分。

2. 恆星演化過程中可以製造比鐵重的元素

宇宙中的元素的形成只能通過核合成。核合成分兩種:恆星中的核合成、爆炸中的核合成。前者是恆星演化過程中的,後者又包括兩種,分別是宇宙大爆炸和恆星死亡的爆發。

恆星中的核合成有一種s過程(slow 過程),即慢速的中子捕獲過程,可以形成比鐵重的元素。s過程創造了一半比鐵重的元素。s過程發生在恆星演化的晚期,也就是漸近巨星分支,不是一種常規的主序恆星的演化過程,但也不能算恆星死亡。

3.問題中所指的是恆星死亡爆發的元素合成

這個過程類似於s過程,但是反應速度極快,所以叫r過程(rapid過程)。r過程產生的重元素很多,但絕不能說是全部。

【calebjael的回答(27票)】:

補充一下。

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事實上,恆星並不是產生鐵元素就進入死亡期,這個問題要根據恆星的不同而做不同的解答。

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如果恆星的質量小於0.08個太陽,那麼,這樣的恆星因為太輕,對中心的壓力不夠,是不會產生核聚變的,最終它將在慢慢冷卻後,於氫元素階段就死亡,成為褐矮星。

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如果恆星的質量在0.08個太陽到8個太陽之間,那麼,恆星會先慢慢收縮,中心達到核聚變的條件,於是氫變成氦(原子序號2),由於質量大,變成氦之後還會繼續往中間收縮,於是氦又聚變成碳(原子序號6),碳又聚變成氧(原子序號8),然後死亡於氧元素階段,外層脫落成為行星狀星雲,中心變成白矮星(質子和電子緊密擠在一起)。

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這是我們太陽的結局。注意,只會產生氦、碳、氧三種元素。

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如果恆星的質量在8個太陽以上,那麼當恆星的中心變成氧之後,由於質量大,對中心的壓力高,於是氧繼續聚變成氖(原子序號10)、鎂(原子序號12),又聚變成硅(原子序號14)、硫(原子序號16)、鈣(原子序號20),又聚變成鐵(原子序號26)。

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同樣要注意,只會產生這6種元素,核聚變不是什麼都會生成的。

宇宙中天然的核聚變下,只會產生這9種元素。

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在大多數的質量都變成鐵之後,所產生的壓力已經非常大,此時中心部分的電子被壓進原子核中,與質子結合,變成中子,使得核心部位變成全部中子,由於中子非常緊密,因此外層的鐵原子來到中子表層就被擋住,像皮球撞地一樣被反彈出去,這種反彈會形成對外的衝擊波,在恆星內部壓強大、溫度高的情況下,衝擊波會在中子層外面附近生成極少量的鈷(原子序號27)、鎳(原子序號28),以及更為少量的銅(原子序號29)、鋅(原子序號30)。

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鋅是所有恆星在聚變反應下所能達到的最高序號的元素。不過,由於鈷、鎳、銅、鋅都是極少量,而且也不是一定會生成,因此,在一般的科普文章中,以及簡單的天文、物理入門教材中,就都通俗地說,到了鐵元素,恆星就死亡了。

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因為鐵元素被中子層所擋,因此不可能進入核心,所以恆星就一定會死亡。雖然在物理上,鐵元素確實是前面@陶冶、@山醒所講的平均核子質量最輕的元素,如果要再聚變,需要反而從外界吸收能量,但由於有中子層所擋,因此在天文恆星上,不管該恆星能夠在核心提供多少能量,都沒辦法讓鐵繼續反應,因為鐵到不了核心。

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這時候,鐵被中子層反射的衝擊波,如果在中微子的作用下得到放大,會在向外面衝擊的時候,變成恆星外層的大爆炸,把恆星外層炸掉,只留下核心的中子星。如果恆星質量超過太陽的25倍,還會形成黑洞(當然,那些跟中子簡並壓有關,是物理問題,不是天文問題了)。

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在衝擊波向外傳播的過程中,不管有沒有導致最終爆炸,都會因為對外層(鐵層之外是硅、硫、鈣層,更外面是氖、鎂層、氧層等)的衝擊,而在外層生成除了上面9種元素外的,原子序號小於鐵的少量其他16種元素。

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如果發生了大爆炸,則會產生極少量的原子序號大於鐵的其他各種元素。這些元素在爆炸中被拋離,形成星雲,並在以後的合適條件下,形成第二代恆星。我們的太陽就是這樣一個第二代(甚至或許更多代)的恆星,因此太陽中有各種元素。

【山醒的回答(6票)】:

核反應中的能量都是在遵循質量數守恆的前提下消耗質量而得到的,而鐵原子中的核子是消耗的極限,即它不能再消耗質量降低自己的質量,因而核反應最多能到鐵。人類的核聚變是從比鐵核子輕的原子序號小於鐵的聚變到鐵的核子,核裂變是比鐵的核子輕的原子序號大於鐵的裂變到鐵的核子。

大爆炸開始,只有氫和氦,那麼按照上段說法,如何得到原子序號大於鐵的原子呢?超新星爆發的強力加能量。這就是能量轉為質量啊!

【高華的回答(2票)】:

應該說鐵原子核中的單位核子質量最小,根據愛因斯坦質能關係:E=MC^2,鐵原子核的質能最低,再根據哈密頓原理,能量最低的物質狀態最穩定,也就意味著鐵除非有外來能量的參與,它不會通過核反應變成其他元素。對星球來說就意味著死亡

【陶冶的回答(2票)】:

應為鐵元素是平均核子質量『最輕』的元素 其裂變或者衰變都不能產生質量損失,沒有核反應產生能量當然恆星就快要死亡了。。。

【張東陽的回答(0票)】:

? ?5個粒子和8個粒子以前的非常輕的元素的確是大爆炸產生的。今天,作為物理學的發現結果,我們知道大爆炸確實產生了大多數的我們在自然界看到的氦,氦3、氦4和氦7。鐵以前的重元素是在恆星的核心產生的, 但是,即便是恆星的高溫也不足以「烹調」超出鐵的元素,如銅、鎳、鋅、鈾等。(由於各種原因,通過熔化超出鐵的元素來吸取能量是極其困難的,包括核子中質子相互排斥和缺乏結合能。)對於這些重元素,需要一個更大的熔爐,即大質量星星或超新星的爆炸。當巨星劇烈地崩潰時,在它最終死亡的劇痛中可以得到幾億度的高溫,就有足夠的能量「烹飪」超出鐵的元素。這意味著超出鐵的元素只能從爆炸星星或超新星的大氣中拋出來。

【蕭和的回答(0票)】:

簡單來說,核聚變只能產生最多到元素鐵就到頭了。週期表中比鐵後面的元素都是在超新星爆炸這種條件中產生的。至少我是這麼聽說的。

標籤:-物理學 -天文學 -天文物理 -海盜河馬


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