恒星核聚变到铁元素就停了，那么对重元素是怎么来的？

在宇宙初生的黎明，万物尚在萌芽，各种元素受万有引力与电磁力的牵引，彼此吸引，逐步塑造成今日天际中形形色色的星体。元素的诞生、宇宙的生长、星辰的演化，皆紧密相连。

在我们所知的宇宙构成中，氢元素的丰度居首位，元素周期表上它也名列前茅。借此，我们来探讨元素周期表的奥秘，特别关注铁之后的重量级元素。

探秘宇宙中的元素之源

1869年，俄国化学家门捷列夫推出了举世闻名的元素周期表，该表罗列了当时所知的66种元素，并对未知元素的可能性质进行了预测。至今，我们已探知元素118种，其中92种源自自然，另26种则为实验室中人工合成。在自然存在的元素中，92号元素铀为地球原子序数之最，而序数超过92的元素均为放射性元素，极不稳定。

现今，新元素的探索主要依赖于自然发现与实验室合成两途径。合成主要通过高能中子辐射、核爆、重离子加速器等现代技术达成。此外，新元素亦可在宇宙射线、陨石、卫星石以及天然矿石中被发现。甚至在实验室中，科学家已能利用核碰撞创造新元素。

例如2014年，日本借助rilac直接加速器，以锌粒子撞击铋箔，从而产生了第113号元素“Unt”。不过这些实验室产物的寿命极短，如113号元素，仅存续了百万分之三秒，便转化为其他元素。

2016年，科研人员利用人工元素锎撞击钙，制造出含有118个质子的新原子核。这一元素虽仅存续了1毫秒，却是人类创造的最重元素。然而，随着原子序数增加，质子间斥力亦随之加大，使得高序数元素变得极不稳定，且序数越高，稳定性越差，导致这些元素在极短时间内衰变。

因此，地球上鲜见92号以上的元素（铀除外），而新发现的高序数元素多由实验室合成。看来，宇宙中的元素类型似乎是有限的。

轻元素的起源

故事要从宇宙大爆炸说起。按照普遍接受的理论，宇宙源于一个奇点的大爆炸。在宇宙早期，氢和氦两种元素就占据了99%以上，它们是宇宙中最初的元素，亦是周期表上最靠前的两位。

漫长时光流转，随着宇宙冷却，第一颗恒星应运而生。大质量恒星的内核温度极高，足以点燃氢核聚变反应。于是，从氕到氘，从氘与氕聚合成氦三，再到氦三转化为氦四，如此层层推进，生成碳、氧、氖、镁、硅、硫、钙，直至铁元素……

由此可见，在宇宙诞生之初的138.2亿年前，仅有最基本的元素存在。如今，我们已知的宇宙元素共计118种，它们构建了宇宙万物，而恒星演化却止步于铁56。

为何核聚变到铁为止？

万物皆由微观粒子构成，原子由原子核与核外电子组成，而原子核则包含中子与质子。正电荷质子相互吸引，加之核子间强力作用，使得这些粒子聚合在一起。

结合能是将这些核子分开所需之力，而“比结合能”是结合能除以核子总数的商。比结合能越大，原子结合越紧密，需巨大能量方能将其分离。元素中，铁56的比结合能最高，说明它是最稳定的元素，不易被分解。

可以理解为，较铁56更重的元素核裂变趋向铁56，较轻的元素核聚变也趋向铁56。铁56似乎成了元素界的“领袖”，左右两侧的元素皆有向其靠拢的趋势。

然而，让铁元素进行核聚变并非不可能。前提是须要极端苛刻的条件。如前所述，铁原子核的分离需巨大能量。在整个过程中，若能不断注入大量能量，铁原子核的核聚变即可实现，但其释放能量却相对较少，输入远大于输出，故在恒星核心中难以发生。

重元素的诞生

在恒星演化末期，不稳定的内核中，铁—56捕获中子转化为更重的元素。同时，超新星爆发也助产重元素。这一过程涉及两种情况：一是恒星末期的慢中子捕获产生重元素；二是超新星爆发时的重元素形成。因此，铁之后的重元素主要源于超新星爆发或中子星撞击释放的巨大能量，以及伴随产生的大量高能中子。这些中子被捕获，使元素质量增加，这一过程分为快中子和慢中子捕获。

1、慢中子捕获生成重元素

慢中子捕获，即S—过程，多发生在恒星演化末期的高温内核中。此间，中子被铁—56俘获，生成铁—57，随后铁—57释出高能电子，转为钴—57，并以此类推，形成更重的元素。

2、快中子捕获生成重元素

快中子捕获，即R-过程，多出现于恒星超新星爆发期。在此过程中，铁—56元素连续捕获快中子，生成重元素，占恒星形成的重元素半数以上。

由此看来，无论是哪种过程，铁—56均是生成重元素的关键起点，重元素皆为铁的中子捕获过程中的次级产物。