鐵元素為什麼無法繼續聚變那麼比鐵重的元素又是怎麼來的

仰望天空，宇宙中充滿了大大小小的物質結構，佈滿了無數的恆星、星系、星系團；環顧四周，在我們身邊可以看到各種各樣的物質形式，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是怎麼來的？追其根本，物質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構成的星球。

那麼宇宙的起源是怎樣的？

我們對宇宙起源的瞭解得益於愛因斯坦相對論的提出，這為我們人類能正確理解時空的性質奠定了基礎，相對論告訴我們，時間和空間是一個統一的整體，並且時空會因為物質/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在空間中的運動狀態。

因此在廣義相對論控制下的宇宙是一個動態的宇宙，它會因為引力的存在發生收縮，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，這個宇宙常數可以對抗平衡物質引力的作用，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只是他的一廂情願，宇宙並不需要靜止，更不會收縮，而是一直在膨脹，這一重大的發現是埃德温·哈勃在1924年發現的。膨脹的宇宙為現代宇宙學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，這一思路對宇宙來説也是適用的。膨脹的宇宙在遙遠的過去體積更小、物質更加稠密、温度更高，這就是宇宙大爆炸理論模型來源的基礎。

現在我們知道宇宙在138億年前起源於熱大爆炸狀態，也就是一個温度、密度、能量非常高的狀態，這個狀態又來自於宇宙暴漲階段，在暴漲階段，宇宙空間以指數膨脹的方式迅速的擴張，暴漲結束後，真空能量衰變到物種和輻射中，產生了我們在標準模型中已知和未知的所有基本粒子。

隨着宇宙的膨脹温度的降低，夸克被束縛在和質子和中子中，質子和中子結合產生原子核，直到宇宙誕生後的30萬年，隨着温度的降低，原子核和電子得以結合在一起，宇宙首次誕生了中性原子，不過宇宙早期進行的大爆炸核合成所創造的中性原子只有氫、氦、鋰，其中氫的數量約為92?氦的數量約為8?及其微量的鋰可以忽略不計。現在氫元素有了，那麼元素週期表中其他比氫和氦重的元素是怎麼來的？

恆星：宇宙重元素的加工廠

中性原子誕生以後，宇宙充滿了以氫為主要成分的氣體雲，這些物質的分佈從嚴格意義上來説並不是均勻的，而且在大小尺度上都存在及其微小的密度波動，這一點我們可以在微波背景輻射中發現。這些物質密度為微小不均勻就為更大的物質團塊的誕生提供了基礎。

我們知道物質密度越大引力就越大，所以那些物質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，由於引力是一種失控的力，也就是密度越大的區域形成物質團塊的速度更快，而物質聚集就會導致核心温度的升高，超過一定的閾值就會在核心區域點燃核聚變。核聚變的過程就是一個將輕元素融合為重元素的過程，並且損失的質量會以能量的形式釋放出來，這就是恆星發光發熱的根本原因。

以太陽為例，其核心的温度可以達到1500萬攝氏度，密度可以達到鉛的13倍，但是就是這樣的高温高壓，還不足以克服質子之間的庫侖力，使得它們融合在一起。不過，多虧了量子力學的作用，兩個質子可以發生量子隧穿效應，在極端和極小的幾率下瞬間靠近對方並被太陽高温和高壓的環境融合成為氘，雖然雙質子融合幾率很低，但是太陽有10^57個質子，大約10?於太陽核心，因此從這麼大的基數來看，發生質子-質子融合的數量還是很多的。

在氘形成以後，會迅速在捕獲一個質子變為氦-3，兩個氦-3會繼續融合為氦-4，太陽內部每秒鐘大約有4×10^38個質子會聚變為氦-4，而這個過程中會有400萬噸的質量轉化為能量。上圖就是太陽聚變重元素的過程，但最後也只能將元素聚變為碳、氮、氧，併發生循環，最後太陽會在行星狀星雲中死亡，在其核心會留下以碳為主的白矮星。

但是在質量更大的恆星中，會將元素一路聚變到鐵，上圖展示了更大質量的恆星各種元素聚變發生位置，那麼恆星最後的聚變為何會在鐵元素停止，發生超新星爆發，核心要麼坍縮為中子星，要麼變為黑洞呢？

上圖可以看到在鐵元素以前，元素的聚變都會釋放能量，而到了鐵以後會發生了變化，這些元素融合聚變以後就不再釋放能量，反而會吸收能量，因此恆星到鐵以後都無法在繼續聚變，而鐵核達到了一定的質量會在引力的作用下劇烈的收縮，釋放出巨大的引力勢能，將整顆恆星炸燬。既然恆星無法聚變比鐵更重的元素，那麼元素週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於超新星爆發或者是中子星相撞後產生的巨大能量並且會釋放出大量的高能中子，這些中子會被其他元素捕獲，使得元素變為更重的元素，鐵以後的元素都是這麼來的，而這個過程被稱為快中子和慢中子捕獲過程。

總結一下

宇宙最基礎的元素氫來自於大爆炸的核合成，而比氫重的元素來自於各種質量恆星聚變的結果，鐵元素之所以聚變不下去是因為它不再釋放能量，或導致核心聚變停止塌縮，毀滅整顆恆星，恆星在毀滅的過程中發生的中子捕獲過程，又為宇宙創造了比鐵更重的元素。