為什么核聚變的最終元素是鐵？

鐵元素

要了解這個問題，首先我們就應該對原子核有一定的了解。不過，這之前，我們先來回顧一下：原子結構。其實初高中的時候，我們也學過，原子由電子和原子核構成，而原子核則是由質子和中子構成。

其中，化學反應是在原子層面，這句話應該如何理解呢？說白了就是，元素的化學性質取決于核外電子，整個反應并不會觸及到原子核。

了解這些之后，我們再來說一說恒星的燃燒，它其實是內核在發生核聚變。那為什么恒星的內核可以聚變呢？說白了，就是因為恒星都很大，尤其是質量很大，比如太陽的質量就占到了整個太陽系總質量的99.86%以上。

在太陽內核引力作用下，溫度急劇上升，壓強也急劇上升，導致它的內核溫度達到了1500萬℃，壓強是200多萬個大氣壓。

這時候，恒星內核的物質就不再是簡單的氣態，固態，液態了，而是一種叫做等離子態的狀態。啥意思呢？你可以理解成，溫度特別高，高到電子都受不了，自己玩自己的去了，所以，整個恒星內核就是原子核和電子在亂跑。

而核聚變說白了是在原子核層面進行的，而不是在原子層面進行的，這是和化學反應有區別的。

所以，鐵元素原子本身并不算穩定（這里指的是化學性質的不穩定），但是鐵原子核特別穩定（這里指的是核聚變和核裂變層面的穩定。）。意思是說：如果你想掰碎一個原子核，是需要能量的，我們管這個叫做比結合能，而在整個元素周期表中，想要掰碎鐵原子核是最難的，所以，鐵原子核是比結合能最高的原子核。

科學家發現，在大自然中，原子序數在鐵之前的元素原子核都可以聚變成原子序數更高的元素原子核，并且釋放出大量能量，這就是核聚變反應，氫彈就是這個原理。而比鐵原子序數更高的元素原子核有裂變的傾向，可以通過核裂變使得自身的原子序數降低，并釋放能量，原子彈就是這個原理。

唯獨鐵原子核，你要讓鐵來發生核聚變反應，條件是十分苛刻的，而且最后發生反應所需要的能量，比核聚變后產生的能量還少得多。發現沒有？上面我們提到的核聚變和核裂變其實都是在釋放能量，只有到了鐵原子核這里，需要吸收能力，變成了一個入不敷出的過程，這就使鐵原子核成為了最穩定的元素原子核。

那么問題來了，恒星真的會最后變成一個大鐵球么？實際上，這個觀念也對也不對。具體是這樣的，恒星的核聚變反應都是在恒星內核發生的，也就是說，如果最后無法觸發鐵原子核發生核聚變反應，那么理論上應該是恒星的內核是鐵元素原子核，而不是說整個恒星都是鐵元素原子核。

不僅如此，那些最終可以走到鐵元素原子核的核聚變反應的恒星，一般都是質量大于10倍太陽質量的恒星。這時候的恒星有個外號叫做：巨型洋蔥頭。該如何理解呢？

其實是這樣的，由于原子序數的上升，元素發生核聚變反應的條件就會變得艱難，氫核聚變反應只需要1000萬度，而到了氦核的核聚變反應需要2億度，而生成鐵原子核的核聚變呢？則需要30億度。

如果一顆恒星的內核達到了30億度，實際上，它的外層的溫度也會特別特別高，所以，這一類恒星是分層的，每一層都在發生核聚變反應，這就像洋蔥一樣，一層一層 的。

而當反應條件達到了鐵核聚變時，恒星的內核就會在引力的作用下，收縮成一個中子星或者黑洞，而外層則被核聚變反應一下子炸開，也就是超新星爆炸。

因此，恒星最終并不都是鐵球，這取決于恒星的質量，質量小的會停在原子序數比較小的程度，比如太陽未來是無法觸發碳、氧核聚變的，它的內核核聚變就到了氦核聚變就結束了。

只有少數10倍太陽質量以上的恒星，它們的內核是會核聚變反應一步步走到鐵，并最終超新星爆炸，變成一顆中子星（也可能是黑洞，黑洞內部是什么我們還無法得知，在這里就不討論了。），而此時的中子星內部的結構我們現在還無法完全確定，但我們能確定的是，它絕對不是鐵球，更像是一顆中子球。