为什么核聚变到产生铁元素时就停止了？

　　上海科技报科普问答主持人：主任记者 吴苡婷
　　这是一个很有意思的问题，核聚变是恒星生命走向衰亡必须经历的过程，也是化学元素形成的原因。从氢聚变一直持续到铁聚变，恒星走完了它的一生。
　　但是很奇怪的是为什么恒星到铁聚变后，就没有继续下去，没有形成其他的重金属呢？
　　那是因为前面这些元素的核聚变都会释放能量，但是铁聚变时是大量吸收能量，因为铁原子的稳定性太强了，要增加一个原子要有很大的能量注入。
　　恒星的能量在铁聚变中被消耗殆尽，所以走向死亡。铁元素是核聚变的一个重要分水岭。所以铁元素被科学家戏称为恒星杀手。
　　其他重金属的产生要等到中子星相撞时，中子星是比较大的恒星在铁聚变后因为恒星内部引力塌陷发生超新星爆炸后的产物。两颗中子星撞击后有1%的质量会变成重金属，也就是我们今天说的金、银、铜、铂等。我们地球上的重金属都是形成在宇宙中几十亿年前的中子星相撞事件，它们飘散在宇宙空间里，也进入了地球的地核中。
　　聚变的过程，是低原子量的元素聚合在一起，产生更高的原子量的元素。同时释放出能量。
　　在这个过程中，首先他们需要使用自身的一些能量，使得核子突破力的束缚。这个时候是要消耗能量的。
　　但核反应的后期部分，又会释放能量。
　　只有释放的能量大于消耗的能量，这个过程才能持续下去。否则根本无法突破势能壁垒。
　　这就给了聚变反应提了两个要求：
　　一、高温：突破势能壁垒；
　　二、反应要释放能量：这样反应才能持续。
　　恒星中的铁，符合第一个要求，高温；但不符合第二个要求——释放能量。
　　这是各个元素同位素的结合能。铁的结合能最高。
　　换句话说，不论是聚变还是裂变，到了铁就不能进一步产生能量了。而反应也就无法维持了。而看看最右边的U235, U238，他们的结合能就比较低，所以能裂变产生能量；左边的氢、氦，结合能也都很低，所以也能聚变产生能量。唯独铁，结合能最高，无法通过升高结合能的方法释放能量。
　　恒星能够源源不断地放出热量是因为发生了自持式聚变反应，敲黑板，重点是自持式，这才是考点。
　　图释：上图为我国合肥等离子所的＂人造太阳＂超导托卡马克实验装置
　　在我国的超导托卡马克实验装置东方超环（EAST）实现持续放电101.2秒，这个已经是世界最长的记录了，此前的记录是60秒，就是因为反应不能自持下去，或者说外界输入的能量大于核聚变输出的能量，铁的聚变即是如此。
　　铁也可以发生聚变反应，当能量和压力满足聚变反应的条件，铁仍然可以发生聚变反应，只是因为铁的平均结合能是目前发现得元素当中最大的 ，维持铁核聚变反应消耗的能量要大于铁核聚变反应放出的能量，即铁不能发生自持式聚变反应。
　　图释：上图为元素的比结合能曲线 ，从图中可看出铁的比结合能是最大的，即将铁核分散成单个核子所需要的平能能量是最大的。
　　当铁核聚变将恒星储存的能量消耗殆尽之后，维持聚变的高温环境将不在，恒星便不能再继续发生聚变。
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　　大质量恒星的核心通过核聚变反应会逐渐合成越来越重的元素，这些元素会在中心逐渐富集。当铁元素被合成出来之后，它们也会集中到恒星的中心。然而，不像题主在问题描述中所设想的那样，铁周围的那些情核元素是无法再进行核聚变的，因为反应所需的温度和压力是不够的。而至于为什么当恒星合成出铁之后，核聚变反应将会宣告终止，这与恒星本身的动态平衡有关。
　　恒星需要源源不断的核聚变反应来向外辐射出巨大的压力，以此才能对抗自身的重力，这种流体静力学平衡贯穿恒星演化周期的大部分时间。之所以核聚变反应能够不断维持下去，是因为它们产生的能量要比吸收的能量更多，所以总得来说，恒星是在净输出能量，在铁之前的元素都符合这种过程。
　　然而，到了铁之后，其比结合能达到了极大值，这要大于比铁更轻和更重的元素。因此，铁的核聚变反应是在净吸收能量，因为该反应产生的能量少于吸收的能量。这样就会使恒星的重力占据主导作用，流体静力学平衡被打破，导致恒星内部受到强烈挤压而引发剧烈的超新星爆炸。
　　从这里可以看出，恒星的核聚变反应在产生铁元素之后并没有停止，而是铁还会进一步发生核聚变反应，结果会产生更重的元素，比如镍：
　　只是铁的核聚变反应会迅速消耗巨大的能量，这会导致恒星在短时间内失去平衡，最终发生超新星爆发。此后，铁会俘获中子继续合成其他重元素。
　　首先，很多人一提到核聚变，第一反应是它能释放出巨大的能量，但你有没有想过为什么会发生核聚变？  原因就是必须要使用本身的能量，然后发生核聚变释放出更大的能量。
　　所以要想发生核聚变，必须有足够的很大的能量才可以达到！  太阳为什么能持续不断地发生核聚变？就是因为太阳巨大的质量产生的万有引力让物质向内塌陷产生超高的温度和压力，继而引发了核聚变！
　　那么为什么恒星聚变到铁就停止了呢？  因为铁比较特殊，铁是自然界最稳定的元素，核聚变到铁元素过程中吸收了大量能量，但不能释放出了能量了（因为铁最稳定），于是在聚变成铁的过程中能量几乎被消耗殆尽，没有足够的能量当然不会让核聚变继续下去！
　　而超新星爆发正是在聚变成铁元素后，能量几乎被消耗殆尽的时候发生的。我们都知道恒星之所以很稳定，就是因为核聚变产生的向外巨大推力与恒星质量向内的万有引力取得了平衡！
　　而如今聚变成铁元素的过程中消耗了巨大能量而没有释放能量，核聚变停止了就没有力量与万有引力抗衡，于是恒星几乎所有的物质在万有引力的作用下急剧向内坍缩！
　　向内坍缩的速度非常快，撞击铁质内核，因此产生巨大的能量，能量几乎全部施加到铁质内核上，铁元素有了足够的能量再次引发了聚变，聚变成更重的元素！
　　这个过程是非常短暂的，而恒星物质撞击铁核产生的巨大反作用力把铁核以外的物质抛向太空，这就是超新星爆发，非常壮观！
　　随着相对论的提出，人们发现无论是重核的裂变还是轻核的聚变，都伴随着大量的能量放出！所谓重核和轻核的分界线就是铁元素，也就是说在元素周期表中，铁之前的元素理论上都可以发生聚变，之后的元素只能发生裂变了！这又是为何呢？
　　这还得从
　　比结合能说起，原子核内的核子之间是靠核力结合在一起的，要把它们分开，就得给原子核一定的能量，这个能量被称为该原子的结合能。但是，由于不同元素原子的核子数量不同，比较它们的结合能意义不大，于是人们又定义原子的结合能和它的核子数的比，为比结合能！下图就是不同元素的比结合能曲线从图中我们可以看出，在铁元素之前，原子的比结合能是随核子数的增多缓慢升高的，铁之后则变成了缓慢下降，也就是说，在已知的元素周期表中，铁的比结合能是最大的，这样一来，如果是铁元素发生核聚变，那么这个过程不但不能放出能量，反而需要吸收能量了，裂变同样也是这样，所以也有人说铁是自然界最稳定的元素！
　　核聚变到铁元素就自发停止，主要设计到反应过程能垒问题。
　　任何反应都有一个能垒，只有先提供一定的能量使反应物克服能垒，反应才会进行下去。核反应也有能垒，例如核聚变反应，我们首先应该提供一定的能量供聚变原料克服能垒，然后核聚变才可以进行下去。能垒就像是树立在反应过程中的一道墙，只有提供能量帮助反应物越过这道墙，反应才可以畅通无阻地进行下去。铁元素以下的原子，核反应能垒较低，只需要提供较少能量核反应就可以进行，而且释放出来的反应能比提供的能量大得多。所以，铁元素以下的核聚变，自身释放的反应能就可以维持核反应。
　　而铁元素以及以上的元素核聚变，核反应能垒很高，需要特别高的能量供应才可以维持反应的畅通。再加上铁聚变后产生的能量小于需要提供的能量，所以整个反应看上去就变成了吸热反应，这样就导致恒星可提供的能量越来越少，最终小于反应能垒，核反应自发停止。
　　所以，一旦星核内核反应进行到铁元素，核聚变就会逐渐停止。除非是发生超新星爆炸等事件，才能够在极端时间内提供足够多的能量供应铁元素及以上元素核聚变。而我们的金属元素，就是这么来的。
　　这只是基于地球引力环境得出的结论。在大引力场中，铁仍然会聚变。按上述理论铁应该是宇宙中最多的物质，而事实并不如此。我们可以这样认为，在恒星内部存在较大原子量（甚至超过几万，而不只是U235之类）的元素物质，而中子星甚至可能是无穷大的原子堆积。
　　之所以可控核聚变到今天仍然没有取得突破进展。其根本原因是人类无法制造一个较大的稳定引力场（超过聚变所需的临界值，非温度，温度只是表象）。元素间聚变的首要条件是环境引力场一定要达到临界值，然后是是物质密度。我认为恒星的聚变反应事实上是发生在表面，当宇宙空间中的氢氦及他们的同位素受到引力作用，聚集到恒星的表面，此时引力场超过了它的临界值，物质的聚集密度达到一定值，就产生了聚变反应，同时恒星内部也在发生不同类别的聚变反应，也就是更大元素的合成，因而我们所观测到的恒星光谱主要是氢氦等轻元素的聚变反应。当物质聚集必须要达到更深的深度，才能够产生足够的聚集密度，而此时引力场已经非常大（远远超过了它的聚变临界值），以至于聚变反应所产生的可见光线受强引力作用不能向外部放射，我们就看到了白矮星褐矮星和红巨星，是因为可见光谱根据红黄蓝紫的能量顺序，越来越难以逃离。在更深更大的引力场环境中，才能达到临界聚变密度时，所有可见光都不能逃逸，这种天体我们称之为黑洞，然而我们却能够观察到无线电波。事实上矮星、中子星等大的天体或者是黑洞的周边，由于极大的引力作用，其空间早就被他们清空了，缺少聚变反应的物质，因而我们通常是觉得他们已经燃烧完了。当矮星，中子星，黑洞等天体短时间内吞食大量物质时（捕获其他星体），在其外部空间（可以满足轻物质聚变的引力场条件）聚变物质密度，迅速达到临界值，因而其聚变反应所释放的光热等能够穿到外部空间放到宇宙中，这样我们就看见了超新星爆发或者黑洞的发光现象。
　　说到核反应可以分为两大类: 一类是较轻的原子核聚合成较重的原子核并释放能量，另一类则是由较重的原子核分裂成较轻的原子核并释放能量。
　　如果你有一定的逻辑思维能力，你可能会给自己提个问题:  既然轻原子可以合成重原子并释放能量，而重原子又能分裂成轻原子并释放能量，那岂不是可以循环释放能量，变成永动机机了？非也! 这里的轻原子与重原子是以元素周期表为范围，分布在元素周期表的两侧，它们并不重叠的。
　　如果你有一定的逻辑思维能力，就会隐隐约约的感觉到: 既然轻原子核蕴含着较高的内能，以致于融合成较重原子还可以释放能量，而较重的原子核也具有较高的内能，以致于分裂成较轻原子也释放能量，也就是说分布在元素周期表的两侧的原子核内能都比较大，中间的原子核内能较小，原子核的内能就像一个U性曲线，那么就必定存在着一个最低点，在这个点上该原子核的内能最低，以致于该原子无论是聚合反应还是裂变反应，都是要消耗能量的，因此所有的核反应抵达这个原子时就无法继续进行下去了，还真有这样一个原子，那就是铁原子。
　　当恒星中的核聚变或者核裂变的最终产物是铁原子时，核反应就无法再持续下去，因为任何以铁原子为材料的核反应都是耗能型的，而不是放能型的，所以恒星发展到铁原子阶段，核反应就停止了，核能量停止释放。
　　但对于恒星来说，这可就是灾难性的时刻，因为恒星除了原子能以外，还有一个巨大能量等待释放，那就是引力势能，因为恒星体积巨大，质量巨大，而使得恒星上的物质相互吸引而产生极其巨大的引力势能，当恒星还处于正常核反应阶段，它依靠核反应释放的巨大光能在恒星内部产生极大的辐射压力，来对抗巨大的引力压力，导致暂时的压力平衡，恒星得以保持体积上的稳定，但核反应一旦停止，内部光压消失，则引力最终取得这场持续了数十亿年的压力对抗的胜利，恒星在巨大的引力作用下，开始内爆，也就恒星外壳物质在引力作用下向内心坍塌，这个坍塌的速度极快，据计算可达每秒4万公里，随着坍塌的持续，恒星中心物质密度越来越高，硬度也越来越大，当外层物质高速冲撞核心物质时，会发生巨大反弹，并产生猛烈的外爆，这就是超新星大爆炸。
　　宇宙就是这么的有趣，地球上的所有生命都得感谢恒星的死亡大爆炸，正是由于超新星爆炸的极端物理条件，在这爆炸的一瞬间会制造极其巨量的重元素，也就是构成我们生命的那些元素，而且同时又被抛撒到茫茫太空中，这样才可能供第二代、第三代恒星重新聚集，才有机会构成地球，一切生命故事才得以展开。
　　所以，不要害怕地狱，组成你我身体的元素，都曾经历比地狱严酷万倍的条件。
　　至于恒星爆炸后剩余的中心物质的形态，就需要根据恒星的初始质量来确定，若初始质量<3倍太阳质量时，则是中子星，否则就是黑洞。
　　这个问题我希望大家在读我这段话的时候稍微掐一点想象力，在里面，因为这个东西没点想象力真的想不出来，我也是看着一档电视节目的时候才看到这个玩意儿。
　　首先，一个恒星他一开始肯定是由氢元素组成的，也就是发生聚变反应的一个重要元素！这个时候整个恒星是一个实心体，东西都紧紧的抱在一起，然后不断的发生聚变反应。
　　聚变的时候总会产生一些应该有的废弃物，但是我们知道整个恒星的内部是核聚变的一个反应的中心区，为了不影响中新区发生强烈的核聚变，那些不要的东西当然是慢慢的往外面排出去，这样的话，所生产出来的铁元素不断的在外围聚集，形成一个壳子。
　　随着铁元素的不断增多，咳子越来越大，这也就是为什么我们看晚年的恒星的话，它的体积会不断的变大，因为中间所有的质量全部变成铁元素，排到外面去了，外面就只剩下薄薄的一个空壳子！
　　等到中间没有能量继续维持这个空壳子的时候，恒心开始发生坍塌，然后出现所谓的黑洞，所有的恒星物质全朝中间涌了过去，拥挤在一起的时候，恒星发生爆炸，这个时候坍塌的外壳，再加中间还有没有发生巨变的物质全部喷散到宇宙的外太空去。
　　当然比铁元素重的原子还有，金元素和银元素，这两种元素是怎么诞生呢？
　　两种情况一种是这颗恒星特别大，在外壳都已经形成的情况，基础之下，还能够继续的发生剧烈的反应，为整个聚变提供大量能量，最终造成部分核心内部的物质转化成为了金元素和银元素，所以我们在看太空之中某一个陨石是由纯金制成的，那很有可能这一个陨石以前是一块儿恒星的内部核心。
　　另外一种可能性就是两个中子星撞击在一起，中子星的密度比常规的恒星的密度要大，为什么中子星是由于他的压力实在太大了？恒星内部致辞我们知道质子都含正电，中子是没有任何电荷的，质子的正电和其他质子的挣点会发生相斥反应，然后恒星内部巨大的质量又把他们呀，一起最终智子全部被排挤出去了，只剩下中子，这就形成了中子星，中子星的密度是普通恒星的50倍左右！两颗中子星撞击在一起，这样形成的能量足够让核聚变上一个台阶，这样形成了金元素和银元素。
　　之所以普通的恒星到了铁元素这个级别就停止反应，是因为铁元素在形成的时候会形成一个外壳子，不断的往外扩大，这样的话就降弱了恒星内部反映的条件，使得整个恒星的内部，他的反应越来越小，（今日头条漩涡鸣人yy首发于悟空问答）最终无法支撑恒星庞大的外壳，只能坍塌下去！所以我们一直说铁元素这个东西是恒星杀手，就是这个东西基本上出现以后，这个恒星就已经宣判了他的死刑了！剩下的只不过是这个恒心如何等待死亡的一个过程。