核聚变为什么到铁就终止了？
核聚变在铁（Fe）元素附近终止，这是一个非常深刻的物理现象，涉及到原子核的稳定性以及能量的释放与吸收。要详细解释这一点，我们需要深入理解原子核的结构、核力、结合能以及能量守恒定律。
核心概念：原子核的结构与核力
1. 原子核的组成： 原子核由质子（带正电）和中子（不带电）组成，统称为核子。
2. 核力（强核力）： 将核子紧密地束缚在一起的强大吸引力。核力是四种基本力中最强的，但作用范围非常短，只在极小的距离（约 $10^{15}$ 米）内有效。它能够克服质子之间的静电排斥力。
3. 静电排斥力： 质子带正电，它们之间存在强大的静电排斥力，试图将原子核撕裂。
结合能：衡量原子核稳定性的关键
定义： 原子核的结合能是指将一个原子核完全分解成其组成部分的质子和中子所需的最小能量，或者反过来说，是将这些独立的核子结合成一个原子核时释放出的能量。
结合能与质量亏损： 根据爱因斯坦的质能方程 $E=mc^2$，原子核的质量总是比其组成部分的核子质量之和要小。这个质量差被称为“质量亏损”，它转化成了结合能。
平均结合能： 为了更直观地比较不同原子核的稳定性，我们通常使用“平均结合能”，即原子核的总结合能除以其核子数（质子数 + 中子数）。
核聚变：从小原子核到大原子核的过程
基本原理： 核聚变是指两个或多个较轻的原子核结合成一个更重的原子核的过程。
能量释放的条件： 如果结合后生成的重原子核的平均结合能大于反应前较轻原子核的平均结合能，那么这个核聚变过程就会释放出能量。这是因为新形成的原子核更紧密地束缚在一起，质子和中子的排列更“稳定”，释放了额外的结合能。
例子： 太阳内部发生的氢聚变成氦的过程，释放出巨大的能量，这就是我们感受到的光和热的来源。氢的平均结合能较低，氦的平均结合能较高。
核裂变：从大原子核到小原子核的过程
基本原理： 核裂变是指一个重原子核分裂成两个或多个较轻的原子核的过程。
能量释放的条件： 如果分裂后生成的较轻原子核的平均结合能大于反应前重原子核的平均结合能，那么这个核裂变过程也会释放出能量。
例子： 核电站中使用的铀235（U235）的裂变，将重铀核分裂成中等质量的核，并释放大量能量。
为什么铁是核反应链的“终点”？
现在我们结合上面提到的概念来解释为什么核聚变在铁附近终止，而核裂变也在此达到一个临界点。
1. 平均结合能曲线（Binding Energy Curve）： 科学家们绘制了一张图，横轴是原子核的核子数（质量数 A），纵轴是平均结合能（每核子）。这张图呈现出一个钟形的曲线：
曲线的上升部分（轻元素）： 从氢（A=1）开始，平均结合能随着核子数的增加而迅速上升。这意味着聚变轻原子核会释放大量能量。
曲线的峰顶（铁族元素）： 曲线在核子数大约为 5060 的区域达到峰值，这个区域包含了铁（Fe，A=56）、镍（Ni，A=58、60）等元素。铁的平均结合能是所有元素中最高的，大约为每核子 8.79 MeV。
曲线的下降部分（重元素）： 超过这个峰值区域后，平均结合能随着核子数的增加而缓慢下降。这意味着聚变更重的原子核反而需要吸收能量，而不是释放能量。反之，裂变重原子核会释放能量。
2. 核聚变为何在铁终止？
达到能量释放的最大“效率”： 铁原子核的平均结合能最高，意味着它的核子结合得最紧密。将比铁更轻的原子核聚变成铁，是释放能量最多的方式，因为核子排列从相对松散到极其紧密，释放了最大的结合能差。
能量输入超过输出： 当你尝试将比铁更重的原子核（例如金、铅）聚变成一个更重的原子核时，这个过程不仅无法释放能量，反而需要输入能量。这是因为新形成的、质量数更大的原子核，其平均结合能已经开始下降了，这意味着它的核子结合得相对没有那么紧密了。为了将这些核子强行塞在一起形成更重的核，需要克服核力的作用，并消耗能量。
核力与电力的平衡： 随着原子核变大，核子数量增多。质子之间的静电排斥力不断增强（与质子数平方大致成正比）。虽然核力也在增加，但其作用范围有限，且不如电力的增长那么“普遍”。在中等质量原子核，核力能够有效地将质子和中子结合在一起。但到了非常重的原子核，例如铀，内部的静电排斥力已经变得非常强大，核力虽然强大但范围有限，难以完全克服这种排斥力，使得原子核本身就处于一种“亚稳定”状态，容易发生裂变。
3. 核裂变为何在铁附近达到“终止点”？
“裂变”的定义： 核裂变是指重核分裂成较轻核。
能量释放的边界： 同样看平均结合能曲线，裂变能释放的原理是从平均结合能低的重核，分裂成平均结合能高的轻核。
铁的“边界性”： 铁的平均结合能是最高的，这意味着它不容易再被裂变成平均结合能更高的原子核。如果尝试将铁裂变，由于生成的产物的平均结合能并没有显著高于铁，所以能量释放会非常少，甚至需要输入能量才能促成裂变。因此，铁可以说是核裂变释放能量的“终点”，比铁更轻的元素（如锂、铍等）通过裂变不能释放能量，反而需要能量才能裂变。
宇宙中的核合成：铁的角色
恒星内部的燃料燃烧： 在恒星演化的过程中，会发生一系列的核聚变反应。从氢聚变成氦，然后氦聚变成碳，再到氧、氖、硅等等，直到生成铁及其附近的元素。
铁核的形成与超新星爆发： 当恒星核心的物质最终聚变成铁族元素时，恒星内部的核聚变就停止释放能量了。此时，铁核无法再通过聚变产生能量来对抗自身的引力坍缩。一旦核心的铁核质量达到一定程度（钱德拉塞卡极限），它就会在自身引力的作用下瞬间坍缩。这种剧烈的坍缩会引发一次强大的冲击波，导致恒星发生超新星爆发。
超新星爆发产生更重的元素： 在超新星爆发的极端高温和高能环境下，会发生一系列比正常恒星内部更剧烈的核反应，包括“r过程”（快中子俘获过程）和“s过程”（慢中子俘获过程），这些过程能够将铁原子核进一步“锻造”成比铁更重的元素，如金、银、铂、铀等。这些重元素最终被抛射到宇宙空间，成为下一代恒星和行星形成的原材料。
总结
核聚变在铁附近终止，是因为铁是原子核结合最紧密的元素，其平均结合能达到峰值。将比铁更轻的原子核聚变成铁可以释放大量能量，但尝试将比铁更重的原子核聚变成更重的核，则需要输入能量。这使得铁成为了宇宙中恒星“正常”聚变过程的终点。而核裂变则以铁为分界线，比铁重的元素裂变可以释放能量，但铁本身及其更轻的元素则难以通过裂变来释放能量。这种能量释放与吸收的性质，深刻地决定了宇宙中元素的分布和恒星演化的进程。
核心概念：原子核的结构与核力
1. 原子核的组成： 原子核由质子（带正电）和中子（不带电）组成，统称为核子。
2. 核力（强核力）： 将核子紧密地束缚在一起的强大吸引力。核力是四种基本力中最强的，但作用范围非常短，只在极小的距离（约 $10^{15}$ 米）内有效。它能够克服质子之间的静电排斥力。
3. 静电排斥力： 质子带正电，它们之间存在强大的静电排斥力，试图将原子核撕裂。
结合能：衡量原子核稳定性的关键
定义： 原子核的结合能是指将一个原子核完全分解成其组成部分的质子和中子所需的最小能量，或者反过来说，是将这些独立的核子结合成一个原子核时释放出的能量。
结合能与质量亏损： 根据爱因斯坦的质能方程 $E=mc^2$，原子核的质量总是比其组成部分的核子质量之和要小。这个质量差被称为“质量亏损”，它转化成了结合能。
平均结合能： 为了更直观地比较不同原子核的稳定性，我们通常使用“平均结合能”，即原子核的总结合能除以其核子数（质子数 + 中子数）。
核聚变：从小原子核到大原子核的过程
基本原理： 核聚变是指两个或多个较轻的原子核结合成一个更重的原子核的过程。
能量释放的条件： 如果结合后生成的重原子核的平均结合能大于反应前较轻原子核的平均结合能，那么这个核聚变过程就会释放出能量。这是因为新形成的原子核更紧密地束缚在一起，质子和中子的排列更“稳定”，释放了额外的结合能。
例子： 太阳内部发生的氢聚变成氦的过程，释放出巨大的能量，这就是我们感受到的光和热的来源。氢的平均结合能较低，氦的平均结合能较高。
核裂变：从大原子核到小原子核的过程
基本原理： 核裂变是指一个重原子核分裂成两个或多个较轻的原子核的过程。
能量释放的条件： 如果分裂后生成的较轻原子核的平均结合能大于反应前重原子核的平均结合能，那么这个核裂变过程也会释放出能量。
例子： 核电站中使用的铀235（U235）的裂变，将重铀核分裂成中等质量的核，并释放大量能量。
为什么铁是核反应链的“终点”？
现在我们结合上面提到的概念来解释为什么核聚变在铁附近终止，而核裂变也在此达到一个临界点。
1. 平均结合能曲线（Binding Energy Curve）： 科学家们绘制了一张图，横轴是原子核的核子数（质量数 A），纵轴是平均结合能（每核子）。这张图呈现出一个钟形的曲线：
曲线的上升部分（轻元素）： 从氢（A=1）开始，平均结合能随着核子数的增加而迅速上升。这意味着聚变轻原子核会释放大量能量。
曲线的峰顶（铁族元素）： 曲线在核子数大约为 5060 的区域达到峰值，这个区域包含了铁（Fe，A=56）、镍（Ni，A=58、60）等元素。铁的平均结合能是所有元素中最高的，大约为每核子 8.79 MeV。
曲线的下降部分（重元素）： 超过这个峰值区域后，平均结合能随着核子数的增加而缓慢下降。这意味着聚变更重的原子核反而需要吸收能量，而不是释放能量。反之，裂变重原子核会释放能量。
2. 核聚变为何在铁终止？
达到能量释放的最大“效率”： 铁原子核的平均结合能最高，意味着它的核子结合得最紧密。将比铁更轻的原子核聚变成铁，是释放能量最多的方式，因为核子排列从相对松散到极其紧密，释放了最大的结合能差。
能量输入超过输出： 当你尝试将比铁更重的原子核（例如金、铅）聚变成一个更重的原子核时，这个过程不仅无法释放能量，反而需要输入能量。这是因为新形成的、质量数更大的原子核，其平均结合能已经开始下降了，这意味着它的核子结合得相对没有那么紧密了。为了将这些核子强行塞在一起形成更重的核，需要克服核力的作用，并消耗能量。
核力与电力的平衡： 随着原子核变大，核子数量增多。质子之间的静电排斥力不断增强（与质子数平方大致成正比）。虽然核力也在增加，但其作用范围有限，且不如电力的增长那么“普遍”。在中等质量原子核，核力能够有效地将质子和中子结合在一起。但到了非常重的原子核，例如铀，内部的静电排斥力已经变得非常强大，核力虽然强大但范围有限，难以完全克服这种排斥力，使得原子核本身就处于一种“亚稳定”状态，容易发生裂变。
3. 核裂变为何在铁附近达到“终止点”？
“裂变”的定义： 核裂变是指重核分裂成较轻核。
能量释放的边界： 同样看平均结合能曲线，裂变能释放的原理是从平均结合能低的重核，分裂成平均结合能高的轻核。
铁的“边界性”： 铁的平均结合能是最高的，这意味着它不容易再被裂变成平均结合能更高的原子核。如果尝试将铁裂变，由于生成的产物的平均结合能并没有显著高于铁，所以能量释放会非常少，甚至需要输入能量才能促成裂变。因此，铁可以说是核裂变释放能量的“终点”，比铁更轻的元素（如锂、铍等）通过裂变不能释放能量，反而需要能量才能裂变。
宇宙中的核合成：铁的角色
恒星内部的燃料燃烧： 在恒星演化的过程中，会发生一系列的核聚变反应。从氢聚变成氦，然后氦聚变成碳，再到氧、氖、硅等等，直到生成铁及其附近的元素。
铁核的形成与超新星爆发： 当恒星核心的物质最终聚变成铁族元素时，恒星内部的核聚变就停止释放能量了。此时，铁核无法再通过聚变产生能量来对抗自身的引力坍缩。一旦核心的铁核质量达到一定程度（钱德拉塞卡极限），它就会在自身引力的作用下瞬间坍缩。这种剧烈的坍缩会引发一次强大的冲击波，导致恒星发生超新星爆发。
超新星爆发产生更重的元素： 在超新星爆发的极端高温和高能环境下，会发生一系列比正常恒星内部更剧烈的核反应，包括“r过程”（快中子俘获过程）和“s过程”（慢中子俘获过程），这些过程能够将铁原子核进一步“锻造”成比铁更重的元素，如金、银、铂、铀等。这些重元素最终被抛射到宇宙空间，成为下一代恒星和行星形成的原材料。
总结
核聚变在铁附近终止，是因为铁是原子核结合最紧密的元素，其平均结合能达到峰值。将比铁更轻的原子核聚变成铁可以释放大量能量，但尝试将比铁更重的原子核聚变成更重的核，则需要输入能量。这使得铁成为了宇宙中恒星“正常”聚变过程的终点。而核裂变则以铁为分界线，比铁重的元素裂变可以释放能量，但铁本身及其更轻的元素则难以通过裂变来释放能量。这种能量释放与吸收的性质，深刻地决定了宇宙中元素的分布和恒星演化的进程。
网友意见
要回答这个问题就必须亮出比结合能曲线图了。
先解释一下什么是比结合能吧。所谓结合能，就是孤立的核子（中子、质子）结合成一个原子核所放出的能量，也等于把一个原子核拆解成单个的核子所需要的能量。比结合能就是结合能除以原子核内的核子数。从这里大家就能发现，比结合能和化学领域中的键能的概念很相似。键能越大，说明这种化学键越牢固，要破坏化学键所需要的能量就越大。比结合能也有类似的特点，铁具有最大的比结合能，因此铁核是最稳定的。其他核若聚变形成铁核，是释放能量的反应，但要让铁核聚变将要吸收能量而不是释放能量了，因此说重核聚变到铁就结束了。
By 重光 中科院物理所
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