为何恒星核聚变到铁元素就停止了？那些重元素是怎么来的？

宇宙中高于铁的元素，可以是大质量恒星在演化末期，通过中子俘获过程形成；或者在双中子星合并事件中，也能大量形成。

我们地球上的元素非常丰富，从1号氢元素到92号铀元素都有，铀是自然界中大量存在的最重元素；大于92号的叫做超铀元素，只有几种在自然界中微量存在，其余都是人工合成的，超铀元素的半衰期一般都很短。

如果了解一点天文学知识，就会知道恒星是一个元素加工厂，可以把宇宙中的氢元素进行核聚变，然后生成各种各样的元素。

比如在恒星内部，氢元素聚变生成氦元素，并释放大量能量；然后氦元素又聚变，生成碳元素和氧元素；碳元素的聚变，又可以生成氖、钠、镁、铝元素。

但是这样的聚变，在恒星内部到铁元素就终止了，比如硅元素聚变生成铁-56，然后铁-56无法继续进行聚变；那么高于铁的其他元素，又是如何来的呢？

我们知道，氢弹是氢的同位素聚变，原子弹是铀或者钚裂变，两个核反应都是释放能量，这与原子核的“比结合能”有关。

结合能表示把原子核中的核子（质子和中子）完全分开，所需要提供的能量；但是我们不关心结合能，而是关心结合能与核子数量的比值，叫做比结合能。

比结合能越大，表示原子核越稳定，铁-56的比结合能是所有原子中最大的，所以铁-56是最稳定的原子，比铁更高的元素叫做超重元素，看来大家说“老铁”是有原因的（暗笑）！

对以上原理有了一些了解后，我们再来看宇宙中元素的形成原理；所有恒星在刚形成时，都会进行氢元素的聚变反应，氕核先聚变为氘核，再经过多步聚变后，产物主要是氦-4：

（1）对于小质量恒星，比如小于0.8个太阳质量的红矮星，就只能聚变到氦了，因为这种恒星的质量太小，内部温度不够高，氦元素的聚变反应无法点燃。

（2）像太阳这样的恒星，在氢元素燃烧完后，引力作用会临时压过核聚变释放的能量，然后恒星外层发生收缩，使得内核温度急剧升高，就会点燃氦元素；氦的聚变非常快，并释放大量能量把恒星外层大气吹走，也就是氦闪，在《流浪地球》中就是假设太阳即将发生这种情况。

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（3）太阳在演化末期只能聚变到碳、氧元素，比太阳质量更大的恒星，聚变反应可以到硅元素。

（4）对于大质量恒星（约10倍太阳质量），一直可以聚变到铁元素，然后聚变反应就终止了，因为铁的结合能是最高的。

铁-56原子有26个质子和30个中子，要使铁变为更重的元素，就需要继续往铁原子中塞入质子，原子核由强力把质子和中子绑在一起，但是强力是短程力，只在10^-15米尺度生效。

虽然强力是库仑力的100倍，但是库仑力是长程力，原子核带正电荷，这时候要把质子塞进铁原子核是非常困难的，因为质子和铁原子核会相互排斥。

由于库伦势垒太高，超重元素无法在恒星内部通过质子俘获、或者α粒子俘获的方式形成；而且铁-56进行质子俘获的平均时间，已经远远高于了恒星的寿命，于是在恒星内部，只能通过中子俘获的方式获得超重元素。

由于中子不带电，所以中子比质子更容易接近原子核，中子被原子核中强力抓住的过程，叫做中子俘获，中子俘获又分为慢中子俘获过程（s过程）和快中子俘获过程（r过程）

大质量恒星在演化末期（红超巨星），恒星内部聚集了许多铁元素，也存在密度很高的中子流（可达每立方厘米10^8个）；于是铁-56俘获一个中子变为铁-57，然后铁-57的原子核发生β衰变（释放一个高能电子），生成比铁高一号的27号元素钴 ，也就是Co-57，然后Co-57继续通过中子俘获过程，生成更重的元素。

慢中子所处温度低，中子俘获过程时间长，如果生成物的半衰期太短，生成物就会在下一次还没俘获中子前发生衰变，所以慢中子俘获过程只能生成一小部分超重元素；而快中子的俘获过程时间短，可以生成大量的超重元素。

大质量恒星在超新星爆发时，能达到100亿度以上的温度，此时快中子密度极高（可达每立方厘米10^23个），于是铁元素在超新星爆发中进行快中子俘获过程，可以生成大量的超重元素；或者在双中子星合并事件中，中子溃散后不久会衰变为质子，也能形成大量的超重元素。

以，形成比铁更重的元素，就至少有三种方式：

（1）大质量恒星演化为红超巨星时，铁-56通过慢中子俘获过程，产生少量超重元素；

（2）双中子星合并事件中大量产生；

（3）超新星爆发时，通过快中子俘获过程大量产生。

我们地球上有着各种各样的元素，一些超重元素还是人体不可缺少的微量元素，比如29号铜元素，存在于肌肉和骨骼当中；33号砷元素，存在于头发和皮肤中；34号硒元素，存在于心肌和骨骼肌中。

然而这些元素，归根到底来自于至少45亿（太阳系年龄）年前，某次超新星爆发或者双中子星合并事件；我们身体中的元素，就是超级爆炸中落入太阳系的余烬尘埃；原来，我们都是“来自星星的你”。

然而这样的事件，每天都发生在宇宙当中，在我们银河系内平均每个世纪里，会有1~2次超新星爆发事件。我们夜晚看到那条明暗相间的银河，其实就是无数次超新星爆发后，残留下来的物质挡住了银河系中心的光线。

在红外线望远镜下，这些残骸显现出明显的放射状，或许在某处就有另外一个文明，在观察我们的太阳系。