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為什麼恒星只能聚變到鐵,就無法聚變不下去了?
2023/08/11

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恒星是宇宙中最壯觀的自然現象之一。它們以其巨大的質量和巨大的能量輸出而聞名,這種能量來自于恒星內部的核聚變反應。然而,雖然恒星可以將輕元素轉化為重元素,但它們在聚變過程中卻有一個終點:鐵。為什麼恒星只能聚變到鐵,而無法繼續聚變呢?讓我們來揭開這個宇宙之謎。

首先,讓我們了解一下核聚變是如何發生的。恒星內部的聚變反應主要涉及氫和氦兩種元素。恒星的核心溫度和壓力非常高,這使得氫原子核能夠克服庫倫斥力并發生核融合。在這個過程中,四個氫原子核聚合成一個氦原子核,同時釋放出巨大的能量。這個過程稱為質子-質子鏈反應。這是恒星主序階段(主要為氫聚變)的主要能量來源。

隨著時間的推移,恒星的核心燃料開始消耗殆盡,核聚變過程變得更加復雜。

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在恒星的內部溫度和壓力下,氦原子核可以進一步聚變為更重的元素,如碳、氧和氮等。這些元素是恒星內部發生的次要聚變反應的產物。

然而,當恒星內的聚變反應達到鐵的核聚變階段時,事情開始變得不同。鐵是元素周期表中最重的穩定元素之一,具有相對較高的核結合能。這意味著將鐵原子核聚變為更重的元素需要投入更多的能量,而不是釋放能量。因此,鐵核聚變是不可持續的,無法繼續提供恒星所需的能量來對抗自身重力坍縮。

為什麼鐵聚變不會繼續進行呢?這涉及到物理學中的兩個基本原理:質能守恒和核能級。質能守恒原理表明,在核聚變反應中,核物質的總質量不會改變,質量的轉化為能量。然而,核能級原理則規定了核反應中僅有特定的能級是穩定的。在鐵元素中,其核能級是相對穩定的,而聚變到更重的元素則會產生不穩定的核能級。這意味著聚變到更重的元素需要投入更多能量,而不是釋放能量,因此無法持續進行。

當恒星的核心燃料耗盡時,核聚變過程停止,恒星的演化進入了不同的階段。

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對于質量較小的恒星,如我們的太陽,核聚變停止后,恒星的外層會膨脹形成紅巨星,最終將外層物質釋放到太空中,形成行星狀星云。對于質量更大的恒星,核聚變的停止可能導致核塌縮,形成超新星爆發。超新星爆發是宇宙中最強大的爆發之一,釋放出極其巨大的能量,同時在這個過程中也產生了更重的元素,如金屬和放射性同位素。

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