原子是由原子核和电子构成,而原子核则是由中子和质子构成,对于一个原子来讲,其原子核内的质子数量就决定了它的元素类型,比如说原子序数为1的氢元素,其原子核就只有1个质子,原子序数为2的氦元素,其原子核就有两个质子,其他元素则以此类推。

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所以从理论上来讲,只要我们能够不断地往一个原子核里加入质子,它就会变成越来越重的元素,当然了,毕竟质子都是带正电的,它们互相看不顺眼,会产生强大的排斥力,因此我们在加入质子的同时,还需要加入一定数量中子来维持原子核的稳定。

这种事情说起来容易,实际操作起来难度却相当大,以至于拥有现代科技的人类都无法做到,不过人类无法做到并不代表宇宙也不能做到,否则的话,宇宙中也就不可能存在各式各样的元素了,那宇宙是怎么做到的呢?一种常见的机制就是核聚变。

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简单来讲,核聚变其实就是较轻的原子核在高温高压下聚合成较重的原子核,宇宙中的每一颗恒星都是一个天然的“核聚变反应堆”,在自身重力的挤压下,恒星的核心就会形成高温高压的环境,从而为核聚变提供了条件。

原子核的原子序数越高,其发生核聚变的条件也就越高,而恒星核心的温度和压强是与恒星的质量成正比的,因此宇宙中的那些质量较低的恒星是聚变不出什么花样的。

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例如我们太阳系“隔壁”的比邻星,其实就是一颗质量很低的红矮星,这种恒星就只能将氢聚变成氦,而像太阳这种黄矮星,也好不到哪里去,终其太阳的一生,它最多也就只能聚变出原子序数为8的氧元素。

只有那些质量足够大的恒星,其核心才有能力启动一轮又一轮的核聚变反应,进而制造出越来越重的元素,然而就算是这样的恒星,也不可能聚变出宇宙中已知的所有元素,因为恒星的核聚变到原子序数为26的铁元素就终止了。

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也就是说,在恒星的核心,铁是核聚变的终点。为什么会这样呢?因为铁原子核的核聚变并不会释放能量,反而会吸收能量。

要知道核聚变所释放出的能量,其实是恒星能够维持自身稳定的重要基础,对于宇宙中的那些能够聚变出铁的巨大恒星来讲,它们自身的重力是非常大的,如果其核心的核聚变不释放能量了,那么这些恒星就会被自身重力直接“压塌”,然后就炸了,这也被称为超新星爆发。

那么问题就来了,既然核聚变到铁就终止了,那宇宙中比铁更重的元素是怎么来的呢?答案就是“中子俘获”。

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顾名思义,“中子俘获”就是原子核俘获了中子,为了方便理解,我们可以把原子核想象成一个个“吃货”,在有中子辐射的环境中,这些吃货就有可能会“吃掉”一些送上门来的中子,不过它们的“消化能力”有大有小,有的可以连“吃”好几个中子都无所谓,而有些只“吃掉”一个中子就会“消化不良”。

举例说明,比如说一个铁-56原子核“吃掉”了一个中子,它就变成了铁-57,由于铁-57是稳定同位素,因此它就没事,在接下来的时间里,如果它再“吃掉”一个中子,它就变成了铁-58,这还是稳定同位素,所以它仍然无所谓。

如果它再“吃掉”一个中子的话,它就变成了不稳定的铁-59,于是它就“消化不良”了,在这种情况下,铁-59的原子核就会发生β衰变,在这个过程中,其原子核内的一个中子会衰变成一个质子,并释放出一个电子和一个反中微子,其原子序数就会加1,然后就变成了钴-59原子核。

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与铁-56原子核相比,钴-59原子核的“消化能力”就差得多了,在“吃掉”一个中子之后,它就变成了不稳定的钴-60,所以它也会发生β衰变,其原子序数就会再次加1,然后就变成了镍-60原子核,而镍-60原子核的“消化能力”又比较强,在连续“吃掉”三个中子之后,它才会发生β衰变,然后变成铜-63原子核……

以上所述的这种“中子俘获”通常发生在恒星的内部,由于恒星内部的中子辐射相对很弱,其产生重元素的效率就相对很低,所以这也被称为“慢中子俘获”。

宇宙中有“慢中子俘获”,当然也有“快中子俘获”,实际上,在宇宙中已知的所有比铁更重的元素中,“慢中子俘获”的贡献其实并不大,而真正大量产生这类元素的,正是“快中子俘获”。

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当宇宙中发生超新星爆发、中子星碰撞这样的高能事件时,会在短时间内形成中子辐射极强的环境,其数量级可以高达每秒每立方厘米100万亿亿个中子之多。

在中子密度如此之高的环境中,就会发生“快中子俘获”,较轻的原子核会“大吃特吃”,然后就会出现严重的“消化不良”,于是它们就发生各式各样的衰变,当一切平息之后,大量的比铁更重的元素也就在宇宙中出现了。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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