恒星核聚变到铁就停止了，比铁更重的元素是如何形成的？

在宇宙刚诞生之后没多久，各种物质在万有引力以及电磁力的作用下互相吸引，并逐渐演化成了现在形形色色的天体。而元素的形成和宇宙的演化以及恒星的演化等是分不开的，其中在我们已知的宇宙中，氢元素的含量是非常高的，在元素周期表中也是排在第一位的。所以这次我们要来讨论一下元素周期表上元素来源，尤其是铁之后的重元素。

(资料图片)

宇宙中的元素

1869年，俄罗斯的一位化学家门捷列夫将当时发现的66种元素排列成了著名的元素周期表，还预言了新元素的存在以及其性质。

到目前为止，已发现了118种元素，其中92种为天然元素，剩下的26种为合成元素，在天然元素中，92号元素——铀元素是地球上原子序数最大，而原子序数大于92的人工超铀元素都是极其不稳定的放射性元素。

目前，我们对于新元素的探索主要是从人工合成和自然探索两个方面进行的，人工合成主要是通过高能中子长期辐照、核爆炸和重离子加速器等现代实验手段来实现的，此外，还可以从宇宙射线、陨石和卫星石以及天然矿物中发现新元素，而且现在我们已经可以在实验室里通过核碰撞创造出新的元素。

比如2014年，日本使用rilac直接加速器加速锌粒子并撞击一片铋箔，从而创造出第113号元素“Unt”，不过这些人工元素有个极大的缺点——寿命极短，就拿113号元素来说，只存在了万分之三秒，就衰变成了其他元素。

在2016年，科学家们就用人工元素锎（californium）去撞击钙，从而制造出了一个原子核中含有118个质子的新原子。这种元素仅仅存在了1毫秒，但却是人类制造的最重的元素。

但是元素随着原子序数的增加，其质子间的斥力也随之增大，于是高原子序数元素就很不稳定，并且原子序数越高，就越不稳定，这也造成了高原子序数的元素会在很短的时间内衰变。

因此，地球上几乎不存在92号以上的元素（铀），而新发现的高原子序数元素（超铀元素）都是由人工合成的，因此宇宙中的元素类应该是有限的。

轻元素的产生

这就要从宇宙大爆炸说起，按照现在的主流理论，宇宙诞生于奇点的大爆炸，在宇宙形成的早期，氢元素和氦元素就占据了99%以上，这是宇宙中最早期也是最基础的元素，同时还是现在元素周期表最靠前的两个元素。后来在很长的一段时间内，宇宙冷却，直至第一颗恒星的诞生，并且由于恒星的质量一般都比较大。

而且在特大质量的恒星核心内部触发的核聚变反应所需要的温度是非常高的，所以这样的条件就可以使其外层的温度正好达到氢核聚变所需的反应条件，而在此时恒星的外层就会开始逐步的发生核聚变反应，一层一层的进行着不同的核聚变反应，只要恒星的质量足够的大，在其内部的反应就可以一直进行下去，从氕到氘，再从氘和氕聚变成氦三，再从氦三聚变成氦四，再到碳、氧、氖、镁、硅、硫、钙，直到铁元素……

所以铁元素之前的元素就是通过恒星内部发生核聚变才形成的。因此在亿年前宇宙的诞生之初，只是有最简单的元素。

迄今为止，我们宇宙中已知的化学元素共有118个，而宇宙万物都是由元素所构成的，但恒星的演化却只能进行到铁56。

核聚变为什么到铁元素？

物质都是由微观粒子构成的，原子又包含原子核和核外电子，而原子核又是由中子和质子构成，这些各种各样的粒子聚在一起，甚至是带正电的质子聚在一起，再加上核子之间又存在很强的相互作用，换句话来说，如果想要把这些核子分开，那么需要的能量则是巨大的。

这种能量我们称作为结合能，其中“比结合能”则指的是结合能除以核子总数，比结合能越大的原子，其结合会更加紧固，要想把它们分离必须需要非常大的能量才可以，在所有的元素中，铁56的比结合能就是最大的，这就说明了铁56是最稳定的，不会轻易被分开。

其实我们可以理解成，如果比铁56更重的会核裂变成铁56，比铁56更轻的就会核聚变成铁56，总的来说就是铁56是这些元素的“首领”，两边的元素都会倾向它。

事实上，如果想要让铁元素发生核聚变也并不是不可能，不过需要极为苛刻的条件。上面已经说到了铁原子核需要非常大的能量才能分开，因此在整个过程输入大量的能量就可以实现铁原子核的核聚变，但释放的能量很少，输入要远远大于输出，一般在恒星内核中其实很难实现。

重元素的产生

由于在恒星的演化末期，极不稳定的恒星内核中，铁—56会捕获中子来形成更重的元素，还有超新星爆发也会形成重元素，那么我们再来简单说一下这个形成过程，这个分为两种情况。

第一是恒星演化末期的慢中子捕获生成重元素，另一种是超新星爆发时形成重元素，因此铁元素之后的重元素来源其实主要就依赖于超新星爆发或者是中子星相撞后产生的巨大能量并且会释放出大量的高能中子，而且这些中子还会被其他元素捕获，使得元素变为更重的元素，这个过程也被称为快中子和慢中子捕获过程。

01、慢中子捕获形成重元素

慢中子俘获过程也被称为S—过程，一般发生在恒星的演化末期，并且是超高温度内核中，在这个时候中子会被铁—56俘获形成铁—57，然后铁—57会再释放一个高能电子，于是就形成了钴—57，以此类推，钴继续通过慢中子的俘获过程来形成其他更重的元素！

02、快中子捕获形成重元素

快中子的俘获过程一般是发生在恒星的超新星爆发阶段，也被称为R-过程。在这个过程中，铁—56元素主要是进行连续的快中子捕获来生成重元素，而且快中子捕获形成的重元素占恒星形成的重元素一半以上！

不难发现，无论是哪种过程，铁—56都是最基础的重元素，而重元素都是以铁为重元素的中子捕获过程中二次生成的。

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