深層解讀：恒星核聚變到鐵元素就停止了，重元素是如何產生的？

要深刻理解恒星核聚變的過程，首先了解兩個概念：結合能，比結合能。

結合能

我們都知道，原子核是核子通過核力（質子中子）結合在一起的，如果想把核子分開，就需要能量，需要的能量就是原子核的結合能。自然組成的原子核，核子越多，結合能就越高。

比結合能

理解了結合能的概念，比結合能就很好理解了：原子核的結合能與核子數之比就是比結合能，即每個核子結合能的平均值，所以也叫平均結合能。比能越大，核子結合得越牢固，原子核就越穩定。

上圖：核子結合能曲線，Ni-62才是最高

這里有必要強調一點，其實鐵元素的比結合能并不是最高的，這種說法科學來講并不嚴謹，比結合能最高的是鎳-62。只不過鎳-62最終也會衰變成鐵元素，所以我們會習慣性地認為鐵元素的比結合能最高！

這就類似GDP與平均GDP的關系，GDP再大，如果平均GDP很小也沒有多大實際意義！

而鐵的比結合能是最高的，所有鐵元素最穩定。

為何恒星核聚變到鐵元素就停止了呢？

簡單講，因為比鐵更輕的元素通過核合成形成時會釋放出凈能量，鐵元素之后的核合成雖然可以進行，但是吸收能量的。在恒星內部高溫高壓下，這些元素實際上無法真正穩定形成！

核聚變示意圖

形成鐵元素之后，核聚變仍舊能進行，但此時的恒星已經不能叫做“恒星”，因為此時的核聚變不再釋放能量，而是吸收能量。

換一種理解方式，愛因斯坦的質能方程：E=MC我們都知道，比鐵更輕的元素聚變會損失質量，所以會釋放能量，比鐵更重的元素聚變會增加質量，所以會吸收能量。

核聚變過程

那么為何巨聚變時吸收能量，核聚變就無法進行下去了呢？

我們需要明白恒星不斷發光發熱，不斷釋放能量的原因是什么。

是兩種力量的平衡。恒星質量非常巨大，巨大的質量意味著巨大的萬有引力，在引力的作用下，恒星物質擁有向內坍縮的趨勢。

兩種力量的平衡

而正是引力的作用，讓恒星內部產生了極高的溫度和壓力，由此產生了核聚變。核聚變釋放出巨大能量，產生了對抗引力的對外壓力，這兩種力量的平衡才讓恒星得以穩定運行數十億年甚至更久！

而一旦核聚變停止了，兩種力量的平衡被打破，萬有引力占據絕對上風，恒星物質開始急劇向內坍縮，意味著恒星的死亡，死亡之后變成白矮星，中子星或者黑洞。

恒星演化過程

向內坍縮的過程中，在萬有引力的作用下，內核產生了超強的壓力和溫度，這給了鐵元素聚變成更重元素提供了能量，而鐵元素在聚變成更重元素時恰恰需要不斷吸收能量，而不是釋放能量。

我們經常所說的超新星爆發就是在此過程中形成的。而且這個過程通常是比較短暫的，因為只有萬有引力在起作用，恒星物質向內急劇坍縮撞擊鐵核，聚變成更重的元素。

撞擊當然會產生非常強大的反作用力，猛烈的反作用力把恒星物質拋灑到浩瀚的星際空間，這就是超新星爆發！拋灑到星際空間的物質會成為下一代恒星行星形成的原材料。

超新星

超新星爆發瞬間釋放的能量非常恐怖，比我們的太陽100億年中釋放的能量總和還要多100多倍。

所以說，恒星核聚變到鐵元素就停止了，而超新星爆發的瞬間只是核聚變的特例！我們也應該感謝超新星爆發，沒有超新星爆發，如今我們的地球上就不可能有金銀等貴重金屬，這些重金屬都是在超新星爆發的瞬間形成的！