來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的?

尋夢新聞LINE@每日推播熱門推薦文章,趣聞不漏接❤️

加入LINE好友

宇宙中高於鐵的元素,可以是大質量恒星在演化末期,通過中子俘獲過程形成;或者在雙中子星合併事件中,也能大量形成。

我們地球上的元素非常豐富,從1號氫元素到92號鈾元素都有,鈾是自然界中大量存在的最重元素;大於92號的叫做超鈾元素,只有幾種在自然界中微量存在,其餘都是人工合成的,超鈾元素的半衰期一般都很短。

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第1張

如果了解一點天文學知識,就會知道恒星是一個元素加工廠,可以把宇宙中的氫元素進行核聚變,然後生成各種各樣的元素。

比如在恒星內部,氫元素聚變生成氦元素,並釋放大量能量;然後氦元素又聚變,生成碳元素和氧元素;碳元素的聚變,又可以生成氖、鈉、鎂、鋁元素。

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第2張

但是這樣的聚變,在恒星內部到鐵元素就終止了,比如矽元素聚變生成鐵-56,然後鐵-56無法繼續進行聚變;那麼高於鐵的其他元素,又是如何來的呢?

我們知道,氫彈是氫的同位素聚變,原子彈是鈾或者钚裂變,兩個核反應都是釋放能量,這與原子核的「比結合能」有關。

結合能表示把原子核中的核子(質子和中子)完全分開,所需要提供的能量;但是我們不關心結合能,而是關心結合能與核子數量的比值,叫做比結合能。

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第3張

比結合能越大,表示原子核越穩定,鐵-56的比結合能是所有原子中最大的,所以鐵-56是最穩定的原子,比鐵更高的元素叫做超重元素,看來大家說「老鐵」是有原因的(暗笑)!

對以上原理有了一些了解後,我們再來看宇宙中元素的形成原理;所有恒星在剛形成時,都會進行氫元素的聚變反應,氕核先聚變為氘核,再經過多步聚變後,產物主要是氦-4:

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第4張

(1)對於小質量恒星,比如小於0.8個太陽質量的紅矮星,就只能聚變到氦了,因為這種恒星的質量太小,內部溫度不夠高,氦元素的聚變反應無法點燃。

(2)像太陽這樣的恒星,在氫元素燃燒完後,引力作用會臨時壓過核聚變釋放的能量,然後恒星外層發生收縮,使得內核溫度急劇升高,就會點燃氦元素;氦的聚變非常快,並釋放大量能量把恒星外層大氣吹走,也就是氦閃,在《流浪地球》中就是假設太陽即將發生這種情況。

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第5張

(3)太陽在演化末期只能聚變到碳、氧元素,比太陽質量更大的恒星,聚變反應可以到矽元素。

(4)對於大質量恒星(約10倍太陽質量),一直可以聚變到鐵元素,然後聚變反應就終止了,因為鐵的結合能是最高的。

鐵-56原子有26個質子和30個中子,要使鐵變為更重的元素,就需要繼續往鐵原子中塞入質子,原子核由強力把質子和中子綁在一起,但是強力是短程力,只在10^-15米尺度生效。

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第6張

雖然強力是庫侖力的100倍,但是庫侖力是長程力,原子核帶正電荷,這時候要把質子塞進鐵原子核是非常困難的,因為質子和鐵原子核會相互排斥。

由於庫倫勢壘太高,超重元素無法在恒星內部通過質子俘獲、或者α粒子俘獲的方式形成;而且鐵-56進行質子俘獲的平均時間,已經遠遠高於了恒星的壽命,於是在恒星內部,只能通過中子俘獲的方式獲得超重元素。

由於中子不帶電,所以中子比質子更容易接近原子核,中子被原子核中強力抓住的過程,叫做中子俘獲,中子俘獲又分為慢中子俘獲過程(s過程)和快中子俘獲過程(r過程)

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第7張

大質量恒星在演化末期(紅超巨星),恒星內部聚集了許多鐵元素,也存在密度很高的中子流(可達每立方公分10^8個);於是鐵-56俘獲一個中子變為鐵-57,然後鐵-57的原子核發生β衰變(釋放一個高能電子),生成比鐵高一號的27號元素鈷 ,也就是Co-57,然後Co-57繼續通過中子俘獲過程,生成更重的元素。

慢中子所處溫度低,中子俘獲過程時間長,如果生成物的半衰期太短,生成物就會在下一次還沒俘獲中子前發生衰變,所以慢中子俘獲過程只能生成一小部分超重元素;而快中子的俘獲過程時間短,可以生成大量的超重元素。

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第8張

大質量恒星在超新星爆發時,能達到100億度以上的溫度,此時快中子密度極高(可達每立方公分10^23個),於是鐵元素在超新星爆發中進行快中子俘獲過程,可以生成大量的超重元素;或者在雙中子星合併事件中,中子潰散後不久會衰變為質子,也能形成大量的超重元素。

以,形成比鐵更重的元素,就至少有三種方式:

(1)大質量恒星演化為紅超巨星時,鐵-56通過慢中子俘獲過程,產生少量超重元素;

(2)雙中子星合併事件中大量產生;

(3)超新星爆發時,通過快中子俘獲過程大量產生。

我們地球上有著各種各樣的元素,一些超重元素還是人體不可缺少的微量元素,比如29號銅元素,存在於肌肉和骨骼當中;33號砷元素,存在於頭髮和皮膚中;34號硒元素,存在於心肌和骨骼肌中。

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第9張

然而這些元素,歸根到底來自於至少45億(太陽系年齡)年前,某次超新星爆發或者雙中子星合併事件;我們身體中的元素,就是超級爆炸中落入太陽系的餘燼塵埃;原來,我們都是「來自星星的你」。

然而這樣的事件,每天都發生在宇宙當中,在我們銀河系內平均每個世紀里,會有1~2次超新星爆發事件。我們夜晚看到那條明暗相間的銀河,其實就是無數次超新星爆發後,殘留下來的物質擋住了銀河系中心的光線。

來自星星的你,核聚變到鐵就終止了,那麼超重元素都是怎麼來的? 戲劇 第10張

在紅外線望遠鏡下,這些殘骸顯現出明顯的放射狀,或許在某處就有另外一個文明,在觀察我們的太陽系。

About 尋夢園
尋夢園是台灣最大的聊天室及交友社群網站。 致力於發展能夠讓會員們彼此互動、盡情分享自我的平台。 擁有數百間不同的聊天室 ,讓您隨時隨地都能找到志同道合的好友!