鐵元素為什么無法繼續(xù)聚變？那么比鐵重的元素又是怎么來的？

仰望天空，宇宙中充滿了大大小小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，布滿了無數(shù)的恒星、星系、星系團(tuán)；環(huán)顧四周，在我們身邊可以看到各種各樣的物質(zhì)形式，有空氣、有水、有高樓大廈、有汽車、有各種生物等等，看到這樣一個紛繁的世界，我們難免不去想這些物質(zhì)是怎么來的？追其根本，物質(zhì)的起源其實就是宇宙的起源，因為我們地球也只不過是宇宙中的一顆普普通通的由物質(zhì)構(gòu)成的星球。

那么宇宙的起源是怎樣的？

我們對宇宙起源的了解得益于愛因斯坦相對論的提出，這為我們?nèi)祟惸苷_理解時空的性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)，相對論告訴我們，時間和空間是一個統(tǒng)一的整體，并且時空會因為物質(zhì)/能量的存在而改變其形狀曲率，反過來時空的曲率又會影響物質(zhì)在空間中的運動狀態(tài)。

因此在廣義相對論控制下的宇宙是一個動態(tài)的宇宙，它會因為引力的存在發(fā)生收縮，最終坍縮到一個點上，不過在愛因斯坦的心中更加崇尚一個靜止的宇宙，所以他就為自己的引力方程引入了一個宇宙常數(shù)，這個宇宙常數(shù)可以對抗平衡物質(zhì)引力的作用，以保證整個宇宙是靜止的。

不過事實證明，愛因斯坦的引力常數(shù)只是他的一廂情愿，宇宙并不需要靜止，更不會收縮，而是一直在膨脹，這一重大的發(fā)現(xiàn)是埃德溫·哈勃在1924年發(fā)現(xiàn)的。膨脹的宇宙為現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生以及人類對宇宙模型的建立提供了一個絕好的思路。

不僅是宇宙，假如我們在生活中看到一個東西在不斷地膨脹，我們很容易就能想到，在過去這個東西肯定體積更小，這一思路對宇宙來說也是適用的。膨脹的宇宙在遙遠(yuǎn)的過去體積更小、物質(zhì)更加稠密、溫度更高，這就是宇宙大爆炸理論模型來源的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在我們知道宇宙在138億年前起源于熱大爆炸狀態(tài)，也就是一個溫度、密度、能量非常高的狀態(tài)，這個狀態(tài)又來自于宇宙暴漲階段，在暴漲階段，宇宙空間以指數(shù)膨脹的方式迅速的擴(kuò)張，暴漲結(jié)束后，真空能量衰變到物種和輻射中，產(chǎn)生了我們在標(biāo)準(zhǔn)模型中已知和未知的所有基本粒子。

隨著宇宙的膨脹溫度的降低，夸克被束縛在和質(zhì)子和中子中，質(zhì)子和中子結(jié)合產(chǎn)生原子核，直到宇宙誕生后的30萬年，隨著溫度的降低，原子核和電子得以結(jié)合在一起，宇宙首次誕生了中性原子，不過宇宙早期進(jìn)行的大爆炸核合成所創(chuàng)造的中性原子只有氫、氦、鋰，其中氫的數(shù)量約為92%，氦的數(shù)量約為8%，及其微量的鋰可以忽略不計。現(xiàn)在氫元素有了，那么元素周期表中其他比氫和氦重的元素是怎么來的？

恒星：宇宙重元素的加工廠

中性原子誕生以后，宇宙充滿了以氫為主要成分的氣體云，這些物質(zhì)的分布從嚴(yán)格意義上來說并不是均勻的，而且在大小尺度上都存在極其微小的密度波動，這一點我們可以在微波背景輻射中發(fā)現(xiàn)。這些物質(zhì)密度為微小不均勻就為更大的物質(zhì)團(tuán)塊的誕生提供了基礎(chǔ)。

我們知道物質(zhì)密度越大引力就越大，所以那些物質(zhì)密度稍微高的地方就會開始在引力的作用下吸積周圍的物質(zhì)，由于引力是一種失控的力，也就是密度越大的區(qū)域形成物質(zhì)團(tuán)塊的速度更快，而物質(zhì)聚集就會導(dǎo)致核心溫度的升高，超過一定的閾值就會在核心區(qū)域點燃核聚變。核聚變的過程就是一個將輕元素融合為重元素的過程，并且損失的質(zhì)量會以能量的形式釋放出來，這就是恒星發(fā)光發(fā)熱的根本原因。

以太陽為例，其核心的溫度可以達(dá)到1500萬攝氏度，密度可以達(dá)到鉛的13倍，但是就是這樣的高溫高壓，還不足以克服質(zhì)子之間的庫侖力，使得它們?nèi)诤显谝黄稹２贿^，多虧了量子力學(xué)的作用，兩個質(zhì)子可以發(fā)生量子隧穿效應(yīng)，在極端和極小的幾率下瞬間靠近對方并被太陽高溫和高壓的環(huán)境融合成為氘，雖然雙質(zhì)子融合幾率很低，但是太陽有10^57個質(zhì)子，大約10%位于太陽核心，因此從這么大的基數(shù)來看，發(fā)生質(zhì)子-質(zhì)子融合的數(shù)量還是很多的。

在氘形成以后，會迅速再捕獲一個質(zhì)子變?yōu)楹?3，兩個氦-3會繼續(xù)融合為氦-4，太陽內(nèi)部每秒鐘大約有4×10^38個質(zhì)子會聚變?yōu)楹?4，而這個過程中會有400萬噸的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。上圖就是太陽聚變重元素的過程，但最后也只能將元素聚變?yōu)樘肌⒌⒀酰l(fā)生循環(huán)，最后太陽會在行星狀星云中死亡，在其核心會留下以碳為主的白矮星。

但是在質(zhì)量更大的恒星中，會將元素一路聚變到鐵，上圖展示了更大質(zhì)量的恒星各種元素聚變發(fā)生位置，那么恒星最后的聚變?yōu)楹螘阼F元素停止，發(fā)生超新星爆發(fā)，核心要么坍縮為中子星，要么變?yōu)楹诙茨兀?/p>

上圖可以看到在鐵元素以前，元素的聚變都會釋放能量，而到了鐵以后會發(fā)生了變化，這些元素融合聚變以后就不再釋放能量，反而會吸收能量，因此恒星到鐵以后都無法在繼續(xù)聚變，而鐵核達(dá)到了一定的質(zhì)量會在引力的作用下劇烈的收縮，釋放出巨大的引力勢能，將整顆恒星炸毀。既然恒星無法聚變比鐵更重的元素，那么元素周期表中的其他重元素是咋來的？

其他更重的元素的誕生得益于超新星爆發(fā)或者是中子星相撞后產(chǎn)生的巨大能量并且會釋放出大量的高能中子，這些中子會被其他元素捕獲，使得元素變?yōu)楦氐脑兀F以后的元素都是這么來的，而這個過程被稱為快中子和慢中子捕獲過程。

總結(jié)一下：

宇宙最基礎(chǔ)的元素氫來自于大爆炸的核合成，而比氫重的元素來自于各種質(zhì)量恒星聚變的結(jié)果，鐵元素之所以聚變不下去是因為它不再釋放能量，或?qū)е潞诵木圩兺Ｖ顾s，毀滅整顆恒星，恒星在毀滅的過程中發(fā)生的中子捕獲過程，又為宇宙創(chuàng)造了比鐵更重的元素。