世界不思議

為什麼鐵是自然界最穩定的元素?


人類始終在研究物質世界的基礎原理,比如各種元素的形成邏輯。而在諸多元素當中,鐵元素的穩定性是最強的,核聚變反應到鐵之後,就會徹底停止。鐵元素的原子核,可以說是穩如「老鐵」一般的存在,真可謂是宇宙中的定海神針鐵!

為什麼會形成這樣的局面呢?或許在我們的生活里,鐵元素的表現差強人意。鐵製品很容易生鏽,用我們的觀點看,這樣的鐵可算不上穩定。但是在微觀世界裡,鐵元素的原子核,的確是不動如山的存在。在化學元素周期表里,排名高於鐵的元素,大多形成於恆星演化末期,不管是中子星形成還是超新星爆發,都會形成大量的元素。

在這些元素當中,我們的地球可以說門類齊全,包括最重元素鈾,人類甚至還能人工合成元素,但人工合成的元素半衰期很短,需要小心保護。在宇宙當中,每一顆恆星都可以看成一個元素工廠,通過對氫元素的核聚變,來形成氦元素等各種各樣的元素。

這樣的形成其實有一定的邏輯,從氦元素,到碳元素和氧元素,碳元素核聚變之後,又會形成鈉元素和氖元素等。只要核聚變一直在繼續,元素的生成就不會停止。但在恆星的內部,鐵元素是核聚變的最後終點。矽元素聚變後會形成鐵元素。然後整個核聚變就停止了。

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這其實跟核聚變的基礎原理有關,人類現在掌握的核裂變技術,其實就是把原子核里的質子和中子分開的過程,而核聚變則是將質子和中子相結合,促進這種結合的力量,叫做結合能,而結合能和元素中質子和中子數量的比值,就是核物理中所說的「比結合能」。一般來說,「比結合能」的數值越高,意味著原子核的穩定性就越強。而鐵-56的這一指標是原子中的扛把子。

而那些比鐵更重的元素,不是形成於核聚變,而是在中子星合併,或者超新星爆發時,才有形成的可能性。

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