恒星究竟是如何“点石成金”的?

文章作者:管理一号 | 2019-05-31
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核算机芯片所用的硅、航空发动机上抗高温的镍基合金、商场中陈设的黄金、铂金……咱们赖以生存的国际是由各种元素构成的,而这些比铁更重的元素(简称超铁元素)来源之谜备受科学家重视。

近来的一项研讨经过核算模仿得出结论,在快速中子抓获进程发作超铁元素的理论模型中,80%的超铁元素由坍缩恒星发作,其他20%则来自中子星兼并。

恒星究竟是怎么“点铁成金”的?中子在这个进程中又扮演了什么人物?

元素构成以铁为界

“现在比铁轻元素的构成机制已清楚,而超铁元素的来源则存在慢速中子抓获进程(s-进程)、快速中子抓获进程(r-进程)和p-进程等多种理论模型。”我国原子能科学研讨院核物理研讨所实验核天体物理立异团队研讨员李志宏在承受科技日报记者采访时表明。 

世界大爆炸3分钟后,最原始的核组成开端了。质子、中子、光子、电子等在世界中“横行无忌”。在彼此磕碰和结合进程中,氢、氦以及极少量的锂、铍、硼元素诞生了。 

后来,部分物质“抱团”逐步构成了恒星。恒星内部以氢核和氦核为质料,不断进行核反响,生成更重的元素,并释放出能量。 

“因为原子核均带正电荷,两核之间的结合需求较高的温度条件以战胜同性相斥的库仑力。元素越重,带电量越大、库仑力越大,构成该元素所需的温度就越高。”李志宏举例,当恒星温度超越30亿摄氏度时,才干构成原子序数为14的硅元素,硅元素再与其他核素反响构成更多元素,直到原子序数为26的铁元素停止。 

“恒星的核焚烧阶段构成的最重元素为铁元素,这是因为铁元素的比结合能最高。” 李志宏进一步介绍,质子和中子等核子结组成原子核不容易,而将现已构成的原子核拆开也需求能量,这种能量被称为原子核的结合能,而结合能与核子数目的比值被称为该原子核的比结合能,即拆开原子核时,均匀到每个核子上所需的能量。比结合能越高,阐明原子核越不容易“散架”。 

铁元素的结合能最高,这意味着什么?“铁元素为核反响放热和吸热的‘分水岭’,若生成铁之前的元素,反响放热,恒星升温;生成超铁元素,反响吸热,恒星冷却。”李志宏通知科技日报记者,恒星一旦冷却,便无法再供给满足的温度战胜下一个元素组成的库仑力,核反响链便在铁这儿“戛然而止”了。 

中子助力原子核“增重” 

恒星核焚烧进程只能构成比铁轻的元素,那么咱们周围的金、银、铂等超铁元素从何而来? 

在三类首要的超铁元素理论模型中,有两类均与中子有关。李志宏指出,因为中子呈电中性,在参加核反响进程中没有库仑力的困扰,因而学界以为绝大多数的超铁元素是经过铁“种子”抓获中子而发作的,并依据“抓到”中子的相对速度有了快慢之分,p-进程则能够解说30余种无法经过中子抓获发作的丰质子核素(p-核)的疑团。 

“慢速中子抓获进程一般发作在红巨星阶段,可发作世界中现有超铁元素约一半数量的超铁元素。”李志宏指出,跟着红巨星不断焚烧,其内部的碳氧中心可发作中子,成为首要的中子源。当铁原子核抓到中子时,原子核内便不再“稳如泰山”了。鄙人一个中子被抓获之前,不稳定的铁核会进行β衰变,核内的一个中子转变为质子。元素周期表中位列第27位的钴元素就此诞生。钴核再抓获中子,便可发作更多的重核。“现在学界现已过理论核算及实践谱线观测逐步证明了该模型的科学性。” 

“快速中子抓获进程一般发作在中心塌缩的超新星迸发或两个中子星兼并进程中,可发作约一半的超铁元素。”李志宏表明,这两种天体活动中,很多的中子喷发而出,一个原子核会被中子包围起来,因而抓获中子是件敏捷且垂手可得的事,从铁“种子”一步步生成铀只需1秒。 

大部分元素都能经过以上两种中子抓获进程发作,还有约1%的超铁元素是经过p-进程发作的。现在,科学家还未揭开p-核构成的悉数奥妙,其发作进程有待进一步探究。 

“核进程研讨不只致力于寻觅世界元素的来源,还为咱们供给了一个‘看见’恒星内部深处的窗口,知道恒星中能量发作的进程以及演化前史。”在李志宏看来,这些疑团的探究也会助力人们开发新的核能源,为国防建设和国民经济发展服务。 

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