为什么核聚变的终点是铁原子核, 那么恒星都会变成一个大铁球吗?

为什么核聚变的终点是铁原子核, 那么恒星都会变成一个大铁球吗?

巨型洋葱头那么问题来了,恒星真的会最后变成一个大铁球么?实际上,这个观念也对也不对。

具体是这样的,恒星的核聚变反应都是在恒星内核发生的,也就是说,如果最后无法触发铁原子核发生核聚变反应,那么理论上应该是恒星的内核是铁元素原子核,而不是说整个恒星都是铁元素原子核。

不仅如此,那些最终可以走到铁元素原子核的核聚变反应的恒星,一般都是质量大于10倍太阳质量的恒星。

这时候的恒星有个外号叫做:巨型洋葱头。

该如何理解呢?其实是这样的,由于原子序数的上升,元素发生核聚变反应的条件就会变得艰难,氢核聚变反应只需要1000万度,而到了氦核的核聚变反应需要2亿度,而生成铁原子核的核聚变呢?则需要30亿度。

白矮星 中子星 黑洞黑洞撕碎恒星景象 图-1

如果一颗恒星的内核达到了30亿度,实际上,它的外层的温度也会特别特别高,所以,这一类恒星是分层的,每一层都在发生核聚变反应,这就像洋葱一样,一层一层 的。

比盾牌座uy大的恒星黑洞撕碎恒星景象 图-2

而当反应条件达到了铁核聚变时,恒星的内核就会在引力的作用下,收缩成一个中子星或者黑洞,而外层则被核聚变反应一下子炸开,也就是超新星爆炸。

巨大恒星被黑洞撕碎黑洞撕碎恒星景象 图-3

因此,恒星最终并不都是铁球,这取决于恒星的质量,质量小的会停在原子序数比较小的程度,比如太阳未来是无法触发碳、氧核聚变的,它的内核核聚变就到了氦核聚变就结束了。

只有少数10倍太阳质量以上的恒星,它们的内核是会核聚变反应一步步走到铁,并最终超新星爆炸,变成一颗中子星(也可能是黑洞,黑洞内部是什么我们还无法得知,在这里就不讨论了。

),而此时的中子星内部的结构我们现在还无法完全确定,但我们能确定的是,它绝对不是铁球,更像是一颗中子球。

白矮星 中子星 黑洞黑洞撕碎恒星景象 图-4

铁元素要了解这个问题,首先我们就应该对原子核有一定的了解。

不过,这之前,我们先来回顾一下:原子结构。

其实初高中的时候,我们也学过,原子由电子和原子核构成,而原子核则是由质子和中子构成。

白矮星 中子星 黑洞黑洞撕碎恒星景象 图-5

其中,化学反应在原子层面,这句话应该如何理解呢?说白了就是,元素的化学性质取决于核外电子,整个反应并不会触及到原子核了解这些之后,我们再来说一说恒星的燃烧,它其实是内核在发生核聚变。

那为什么恒星的内核可以聚变呢?说白了,就是因为恒星都很大,尤其是质量很大,比如太阳的质量就占到了整个太阳系总质量的99.86%以上。

四个黑洞互相吞噬照片黑洞撕碎恒星景象 图-6

在太阳内核引力作用下,温度急剧上升,压强也急剧上升,导致它的内核温度达到了1500万℃,压强是200多万个大气压。

离我们最近的恒星黑洞撕碎恒星景象 图-7

这时候,恒星内核的物质就不再是简单的气态,固态,液态了,而是一种叫做等离子态的状态。

啥意思呢?你可以理解成,温度特别高,高到电子都受不了,自己玩自己的去了,所以,整个恒星内核就是原子核和电子在乱跑。

白矮星 中子星 黑洞黑洞撕碎恒星景象 图-8

而核聚变说白了是在原子核层面进行的,而不是在原子层面进行的,这是和化学反应有区别的。

所以,铁元素原子本身并不算稳定(这里指的是化学性质的不稳定),但是铁原子核特别稳定(这里指的是核聚变和核裂变层面的稳定。

意思是说:如果你想掰碎一个原子核,是需要能量的,我们管这个叫做比结合能,而在整个元素周期表中,想要掰碎铁原子核是最难的,所以,铁原子核是比结合能最高的原子核。

巨大恒星被黑洞撕碎黑洞撕碎恒星景象 图-9

科学家发现,在大自然中,原子序数在铁之前的元素原子核都可以聚变成原子序数更高的元素原子核,并且释放出大量能量,这就是核聚变反应,氢弹就是这个原理。

而比铁原子序数更高的元素原子核有裂变的倾向,可以通过核裂变使得自身的原子序数降低,并释放能量,原子弹就是这个原理。

黑洞吞噬恒星黑洞撕碎恒星景象 图-10

唯独铁原子核,你要让铁来发生核聚变反应,条件是十分苛刻的,而且最后发生反应所需要的能量,比核聚变后产生的能量还少得多。

发现没有?上面我们提到的核聚变和核裂变其实都是在释放能量,只有到了铁原子核这里,需要吸收能力,变成了一个入不敷出的过程,这就使铁原子核成为了最稳定的元素原子核。

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