铁元素为什么可以摧毁恒星 为什么恒星巨变生成铁元素

如题所述

不是恒星巨变产生铁元素,而是生成铁元素后,恒星才被摧毁的。

恒星是以内部核聚变反应产生的向外的与向内的引力相平衡而保持稳定的。在大质量恒星中,首先发生的是氢聚变为氦的反应,产生的氦沉积在内核中。氢的核聚变反应转移到中心氦球的表面。在氢消耗得差不多时,恒星内部的氦积累到一定程度,由于没有向外的辐射压,只能向内收缩。收缩使内部的压力和温度升高,密度也升高,升高到一定程度,能引发氦聚变为碳的核聚变反应,中心由氦转变为碳。就这样,中心产生和沉积的元素越来越重,原子量越来越大。由中心向外,各种元素成层包围在外围,越向外,元素越轻。各种核聚变反应都发生在各层的交界面上。

各种核聚变反应依次进行,直到恒星中心出现了铁元素。此时,恒星的内部结构是下面这个样子的(本图没有按照真实比例画)。

元素聚变时产生的能量与原子核内能有关。越轻的元素聚变时产生的能量越多,越重的元素聚变时产生的能量越少。而比铁重的元素都是通过原子核裂变产生能量的。裂变元素的原子核越重,产生的能量越多,原子核越轻,产生的能量越少。只有铁元素,既不能通过聚变放出能量,也不能通过裂变放出能量。要让铁元素继续聚变,不但不能从中提取出能量,还要向核内提供能量。各元素原子核内能大致如下图。

正是由于铁元素的这个性质,在恒星中,一旦产生出铁,核反应就不能再继续进行下去了。此时,铁就会在恒星的中心积累起来,越来越多,形成由铁组成的内核。

当恒星内部的核聚变反应到铁而终止,不再发生新的核聚变反应时,没有了能量的释放,没有了向外的辐射压,引力就会占上风,恒星就会急剧向内收缩。根据计算,外层物质在向内收缩并接近中心的铁核时,速度甚至能接近光速。但铁核中铁是以电子简并态存在的,无法压缩。当外层物质撞击到铁核时,就像是撞到了一堵无比坚硬的墙。物质一旦撞上这堵墙,就会以几乎同样的速度反弹出去,在带给铁核强大动能的同时,以内爆的形式冲出恒星以外,形成超新星爆发。这个过程叫“铁心灾变”。恒星的一生就此结束。

在恒星以超新星爆发的形式向外抛出物质和能量的同时,在外层物质向内碰撞带给的动能输入下,铁核终于达到了继续合成更重元素原子核的能量需求,钴、镍、铜、铅、金、银、铀等更大、更重的元素由此形成。其中一部分就会随着向外抛出的物质一同冲出恒星以外,并散布在宇宙空间,最终成为形成其它星球的原料。我们地球上的铁,及比铁重的元素就是这么来的。

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