启盈优配深度科普：恒星核聚变为何到铁元素就停了？更重的元素怎么来的？_能量_结合能_氦原子核

问题其实并不严谨。因为铁元素之后其实仍旧能核聚变，只不过不是我们通常所讲的“核聚变”。我们通常所讲的核聚变都是释放能量，而铁元素之后的核聚变不但不释放能量，反而需要吸收能量才可以进行采取。

核聚变，简单来说，就是轻原子核在高温高压的极端条件下，克服彼此之间的电荷排斥力，聚合成重原子核的过程。在这个过程中，会发生质量亏损，根据爱因斯坦著名的质能方程 E=mc²（其中 E 表示能量，m 表示质量，c 表示真空中的光速），亏损的质量会转化为巨大的能量释放出来。

就拿太阳内部最常见的氢核聚变来说，4 个氢原子核（质子）经过一系列复杂的反应，最终聚变成 1 个氦原子核，在这个过程中，质量出现了亏损，大约有 0.7% 的质量转化为能量，以光子和中微子的形式释放，这就是太阳能够持续稳定地发光发热，为地球带来光和热的能量来源。

从理论上讲，要实现核聚变，原子核需要具有极高的能量，以克服它们之间的电荷排斥力，使得它们能够足够接近，让强相互作用力发挥作用，将它们结合在一起。这通常需要温度达到数亿摄氏度甚至更高，然而，在恒星内部，实际的温度并没有达到如此极端的程度，以太阳为例，其核心温度大约为 1500 万摄氏度。

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那么，恒星内部的核聚变是如何发生的呢？这就要归功于量子世界中一种神奇的现象 —— 量子隧穿效应。

在量子力学中，微观粒子具有波粒二象性，它们的行为不像宏观物体那样具有确定性，而是以概率的形式出现。量子隧穿效应指的是，即使微观粒子的能量低于势垒（这里可以理解为原子核之间的电荷排斥力形成的能量障碍），它们也有一定的概率穿越这个势垒，出现在势垒的另一侧。

在太阳内部，虽然氢原子核（质子）的能量不足以直接克服彼此之间的电荷排斥力，但由于量子隧穿效应的存在，它们有一定概率穿越这个能量障碍，靠近到足够的距离，使得强相互作用力能够将它们结合在一起，从而引发核聚变反应。

尽管这种概率非常小，但太阳内部存在着海量的氢原子核，每秒钟每个质子都会与其他粒子发生多达数十亿次的碰撞，在如此巨大的基数和频繁的碰撞下，每秒发生核聚变的质子数量仍然相当可观，达到了天文数字，这就保证了太阳内部核聚变能够持续稳定地进行，为太阳提供源源不断的能量。

在理解为何恒星核聚变到铁元素就停止之前，我们需要先了解两个重要的概念：结合能与比结合能。结合能是指原子核是由核子（质子和中子）凭借强大的核力结合在一起构成的，若要将它们分开，就需要输入能量，这个能量就是原子核的结合能。它并非元素原子核本身所拥有的能量，而是在拆开（裂变）或组合（聚变）原子核这一过程中需要吸收或释放的能量。通常情况下，原子核里核子数越多，结合能也就越高。

而比结合能，也被称为平均结合能，其计算方式为结合能除以核子数。结合能与比结合能之间的关系，类似于一个国家的 GDP 总量与人均 GDP 的关系。一个国家 GDP 总量高，并不直接代表每个国民都富有，关键还要看人均 GDP；同理，在核聚变中，比结合能才是更为关键的指标，而非单纯的结合能。

在元素周期表中，铁元素具有独特的地位，它的比结合能最高，这意味着铁原子核是所有元素中最稳定的。铁原子核的稳定性源于其特殊的原子结构和核子间的相互作用。从原子结构角度来看，铁原子的电子排布使得其原子核与电子之间的相互作用达到了一种相对稳定的状态。

在原子核内部，质子和中子通过强相互作用紧密结合在一起，铁原子核中的质子和中子数量相对较多，使得核子之间的强力作用达到一个较为理想的平衡状态，从而拥有了最高的比结合能。

当恒星内部的核聚变进行到铁元素阶段时，一个显著的变化发生了：铁核聚变不再释放能量，反而变成了能量的 “黑洞”，开始吸收能量。这一现象与之前轻元素的核聚变截然不同。

从质能方程 E=mc² 的角度来解释，在铁之前的轻元素，如氢、氦等，它们在聚变过程中会出现质量亏损，根据质能方程，亏损的质量会转化为巨大的能量释放出来。例如，4 个氢原子核聚变成 1 个氦原子核时，会有质量亏损，这些亏损的质量以能量的形式辐射出去，为恒星提供持续的能量输出。然而，当铁元素参与聚变时，情况发生了反转。铁之后的重元素聚变会导致质量增加，根据质能方程，质量增加就需要吸收能量，而不是释放能量。

从比结合能的角度分析，由于铁的比结合能最高，是最稳定的元素，要让铁原子核再与其他核子发生聚变，就需要克服其高度的稳定性，这就需要外界输入大量的能量。

就好比要将一块已经紧密拼接好的积木拆开并重新组合成一个新的结构，而且这个新结构还不如原来稳定，就必须要消耗额外的能量。所以，铁核聚变不仅不会释放能量，反而需要从恒星内部吸收能量来维持反应的进行。

在恒星的漫长演化过程中，恒星之所以能够稳定存在，是因为其内部存在着两种力量的微妙平衡：引力与核力。引力是由恒星自身巨大的质量产生的，它的作用方向是向内的，试图将恒星的物质压缩到一个极小的空间内；而核力则源于恒星内部持续进行的核聚变反应，核聚变释放出的能量产生向外的压力，与引力相互抗衡，从而维持恒星的稳定结构。

从恒星诞生之初，氢核聚变开始启动，引力的压缩使得恒星内部达到了氢核聚变所需的高温条件，核心先吸收一定的能量引发聚变，然后释放出更大的能量，这些释放的能量又为下一轮的核聚变提供所需的能量，如此循环往复，形成了一个相对稳定的能量输出和平衡状态。

在这个过程中，每一次核聚变反应所释放的能量都恰到好处地支撑着恒星，使其不会因为引力而坍缩。

然而，当恒星内部开始发生铁核聚变时，情况急转直下。由于铁核聚变不仅不会释放能量，反而迅速消耗掉恒星内部原本用于维持平衡的能量，这就打破了引力与核力之间的微妙平衡。

随着能量的不断被吸收，向外的压力逐渐减小，而引力却始终存在且保持不变，此时引力开始占据上风，恒星物质在引力的作用下开始迅速向内坍缩。这种坍缩的速度极快，在极短的时间内，恒星的核心被压缩到极高的密度，引发了一场惊天动地的大事件 —— 超新星爆发。

超新星爆发，是宇宙中最为壮观、震撼的天文现象之一，堪称恒星演化到末期时的一场 “壮烈谢幕”。当一颗大质量恒星（通常质量至少是太阳的 8 倍）内部的核聚变进行到铁元素阶段，由于铁核聚变不再释放能量，反而吸收能量，恒星内部原本由核聚变释放能量产生的向外压力迅速减小，而引力却始终存在且强大无比，在引力的绝对主导下，恒星物质开始急剧向内坍缩。

这种坍缩的速度极快，在极短的时间内，恒星核心的物质被压缩到极高的密度。随着核心的不断坍缩，温度和压力急剧升高，最终引发了一场惊天动地的大爆炸 —— 超新星爆发。

在爆发的瞬间，超新星释放出的能量极其巨大，其亮度会在短时间内急剧增加，甚至可以超过整个星系中所有恒星亮度的总和。

超新星爆发所释放的能量不仅以光的形式展现，还包括强烈的辐射，涵盖了从伽马射线、X 射线到紫外线、可见光和红外线等各种波段。

其中，伽马射线暴是超新星爆发中最具能量的辐射形式之一，它的能量极高，持续时间从几毫秒到数小时不等。伽马射线暴能够在短时间内释放出巨大的能量，对周围的宇宙环境产生深远的影响，比如它可能会对附近行星的大气层造成破坏，影响生命的诞生和演化。

此外，超新星爆发时，还会将恒星内部的物质以极高的速度抛射到宇宙空间中，这些物质的速度可以达到每秒数千公里甚至更快，形成一个巨大的物质云，称为超新星遗迹。在超新星遗迹中，包含了丰富的元素，如氢、氦、碳、氧、铁等，这些元素是构成行星、生命以及我们周围一切物质的基础。

在超新星爆发这一极端的宇宙事件中，恒星内部的物质经历了前所未有的高温和高压环境，这为铁元素继续聚变形成更重的元素提供了条件。当恒星核心坍缩引发超新星爆发时，强大的能量瞬间注入到恒星物质中，使得铁原子核能够捕获更多的中子和质子，从而发生聚变反应，形成比铁更重的元素。

这个过程主要涉及到两种中子捕获过程：慢中子捕获过程（S - 过程）和快中子捕获过程（R - 过程）。

慢中子捕获过程通常发生在恒星演化的末期，在相对稳定的环境中，铁原子核会缓慢地捕获中子，形成铁的同位素，然后这些同位素再通过 β 衰变（一种放射性衰变，原子核内的一个中子转变为一个质子并释放出一个电子和一个反中微子）等过程，逐渐合成更重的元素。例如，铁 - 56 捕获一个中子后形成铁 - 57，铁 - 57 再通过 β 衰变转化为钴 - 57，钴 - 57 又可以继续捕获中子并发生衰变，一步步形成更重的元素。

而快中子捕获过程则发生在超新星爆发的瞬间，此时大量的中子被释放出来，铁原子核能够在极短的时间内连续捕获多个快中子，迅速形成重元素。在超新星爆发的核心区域，极高的温度和压力使得中子的密度极大，铁原子核有更多的机会与中子发生碰撞并捕获它们，从而快速合成一系列比铁更重的元素，从镍、铜、锌等相对较轻的重元素，一直到金、银、铅等更重的元素，甚至是一些放射性元素，如铀和钚等。

超新星爆发不仅合成了重元素，还将这些重元素抛射到宇宙空间中。这些重元素随着星际物质的运动，逐渐扩散到整个星系，成为新一代恒星和行星形成的原材料。

可以说，超新星爆发是宇宙中元素循环和物质演化的重要驱动力，如果没有超新星爆发，宇宙中可能就不会有丰富的重元素，生命的诞生和发展也将变得极为困难。正是超新星爆发这一壮丽的宇宙事件，为我们的宇宙带来了丰富多彩的元素，也为地球上生命的诞生和演化奠定了物质基础。

在恒星内部相对稳定的演化末期，慢中子俘获过程（S - 过程）悄然上演，成为重元素形成的一条重要途径。此时，恒星内部存在着一定密度的中子流，虽然中子的产生速率相对较低，但它们为原子核的演化提供了关键的 “建筑材料” 。

以铁 - 56 原子核为例，它在恒星内部缓慢地捕获一个中子，形成铁的同位素铁 - 57 。由于铁 - 57 的原子核处于相对不稳定的状态，它会通过 β 衰变进行自我调整。在 β 衰变过程中，原子核内的一个中子转变为一个质子，并释放出一个电子和一个反中微子。这样一来，铁 - 57 就转变为了钴 - 57，元素的种类发生了改变，原子序数增加了 1 。

钴 - 57 并不会停止它的演化脚步，它可以继续捕获中子，形成钴的其他同位素，然后再次通过 β 衰变等过程，逐步合成更重的元素。例如，钴 - 57 捕获一个中子后形成钴 - 58，钴 - 58 再经过 β 衰变转化为镍 - 58 。这个过程就像一场缓慢而有序的接力赛，每一个步骤都需要时间，但却有条不紊地推动着元素向更重的方向发展。

在这个漫长的过程中，每一步的反应速率都相对较慢，因为中子的捕获需要一定的时间和合适的条件。而且，由于某些同位素的半衰期较短，如果下一次中子捕获的时间间隔过长，这些同位素可能会在捕获下一个中子之前就发生衰变，从而限制了超重元素的产生量。尽管如此，慢中子俘获过程仍然在恒星内部持续进行，经过数万年甚至数十万年的积累，逐渐合成了一系列比铁更重的元素，为宇宙中元素的多样性做出了重要贡献。

当超新星爆发、中子星碰撞等高能事件发生时，宇宙瞬间被点燃，进入了一个极端的高能环境，快中子俘获过程（R - 过程）便在这惊心动魄的时刻闪亮登场。在超新星爆发的瞬间，恒星内部的物质被剧烈压缩和加热，释放出海量的中子，这些中子的密度极高，形成了一股强大的中子洪流。

此时，铁原子核以及其他轻元素的原子核，如同置身于中子的海洋中，它们有了更多的机会与快中子发生碰撞并迅速捕获它们。与慢中子俘获过程不同，快中子俘获过程的反应速率极快，原子核可以在极短的时间内连续捕获多个中子，形成富中子的原子核。例如，铁 - 56 原子核可能在瞬间捕获多个中子，形成质量数极高的铁同位素。

然而，这些富中子的原子核极不稳定，它们就像被拉紧的弹簧，随时准备释放能量。为了达到更稳定的状态，它们会迅速发生 β 衰变。

在 β 衰变过程中，原子核内的中子不断转变为质子，同时释放出电子和反中微子。通过一系列复杂的 β 衰变和中子捕获过程，这些富中子的原子核最终转化为稳定的、比铁元素更重的原子核。从镍、铜、锌等相对较轻的重元素，一直到金、银、铅等更重的元素，甚至是一些放射性元素，如铀和钚等，都可以在这个过程中快速生成。

中子星碰撞也是快中子俘获过程的重要场所。当中子星相互靠近并最终碰撞时，它们的物质被剧烈地混合和抛射，释放出巨大的能量和大量的中子。这些中子与周围的原子核发生反应，同样能够快速合成大量的重元素。可以说，快中子俘获过程是宇宙中重元素快速合成的关键机制，它在超新星爆发和中子星碰撞等极端事件中，为宇宙带来了丰富多样的重元素，让宇宙的元素宝库更加充实。

恒星核聚变到铁停止，是因为铁的比结合能最高，其核聚变不仅不再释放能量，反而吸收能量，打破了恒星内部引力与核力的平衡，引发恒星坍缩。而更重元素的产生，则依赖于超新星爆发这一宇宙奇观，以及其中的中子俘获过程，包括慢中子俘获过程和快中子俘获过程。

这些元素的形成过程，不仅是宇宙物质演化的关键环节，也与我们的生活息息相关。地球上的各种元素，从构成地壳的铁、铝等金属元素，到生命所必需的碳、氢、氧等元素，都源自恒星内部的核聚变以及超新星爆发。可以说，我们身体中的每一个原子，都可能曾经是恒星的一部分，它们在宇宙中经历了漫长的旅程，最终汇聚到地球上，构成了我们丰富多彩的世界。

发布于：辽宁省

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