构成我们的物质从何而来，为何铁元素是核聚变的终结者？

~ 仰望天空，宇宙中充满了大大小小的物质结构，布满了无数的恒星、星系、星系团；环顾四周，在我们身边可以看到各种各样的物质形式，有空气、有水、有高楼大厦、有 汽车 、有各种生物等等，看到这样一个纷繁的世界，我们难免不去想这些物质是怎么来的？追其根本，物质的起源其实就是宇宙的起源，因为我们地球也只不过是宇宙中的一颗普普通通的由物质构成的星球。
那么宇宙的起源是怎样的？
我们对宇宙起源的了解得益于爱因斯坦相对论的提出，这为我们人类能正确理解时空的性质奠定了基础，相对论告诉我们，时间和空间是一个统一的整体，并且时空会因为物质/能量的存在而改变其形状曲率，反过来时空的曲率又会影响物质在空间中的运动状态。

因此在广义相对论控制下的宇宙是一个动态的宇宙，它会因为引力的存在发生收缩，最终坍缩到一个点上，不过在爱因斯坦的心中更加崇尚一个静止的宇宙，所以他就为自己的引力方程引入了一个宇宙常数，这个宇宙常数可以对抗平衡物质引力的作用，以保证整个宇宙是静止的。

不过事实证明，爱因斯坦的引力常数只是他的一厢情愿，宇宙并不需要静止，更不会收缩，而是一直在膨胀，这一重大的发现是埃德温·哈勃在1924年发现的。膨胀的宇宙为现代宇宙学的诞生以及人类对宇宙模型的建立提供了一个绝好的思路。

不仅是宇宙，假如我们在生活中看到一个东西在不断地膨胀，我们很容易就能想到，在过去这个东西肯定体积更小，这一思路对宇宙来说也是适用的。膨胀的宇宙在遥远的过去体积更小、物质更加稠密、温度更高，这就是宇宙大爆炸理论模型来源的基础。

现在我们知道宇宙在138亿年前起源于热大爆炸状态，也就是一个温度、密度、能量非常高的状态，这个状态又来自于宇宙暴涨阶段，在暴涨阶段，宇宙空间以指数膨胀的方式迅速的扩张，暴涨结束后，真空能量衰变到物种和辐射中，产生了我们在标准模型中已知和未知的所有基本粒子。

随着宇宙的膨胀温度的降低，夸克被束缚在和质子和中子中，质子和中子结合产生原子核，直到宇宙诞生后的30万年，随着温度的降低，原子核和电子得以结合在一起，宇宙首次诞生了中性原子，不过宇宙早期进行的大爆炸核合成所创造的中性原子只有氢、氦、锂，其中氢的数量约为92%，氦的数量约为8%，及其微量的锂可以忽略不计。现在氢元素有了，那么元素周期表中其他比氢和氦重的元素是怎么来的？
恒星：宇宙重元素的加工厂

中性原子诞生以后，宇宙充满了以氢为主要成分的气体云，这些物质的分布从严格意义上来说并不是均匀的，而且在大小尺度上都存在及其微小的密度波动，这一点我们可以在微波背景辐射中发现。这些物质密度为微小不均匀就为更大的物质团块的诞生提供了基础。

我们知道物质密度越大引力就越大，所以那些物质密度稍微高的地方就会开始在引力的作用下吸积周围的物质，由于引力是一种失控的力，也就是密度越大的区域形成物质团块的速度更快，而物质聚集就会导致核心温度的升高，超过一定的阈值就会在核心区域点燃核聚变。核聚变的过程就是一个将轻元素融合为重元素的过程，并且损失的质量会以能量的形式释放出来，这就是恒星发光发热的根本原因。

以太阳为例，其核心的温度可以达到1500万摄氏度，密度可以达到铅的13倍，但是就是这样的高温高压，还不足以克服质子之间的库仑力，使得它们融合在一起。不过，多亏了量子力学的作用，两个质子可以发生量子隧穿效应，在极端和极小的几率下瞬间靠近对方并被太阳高温和高压的环境融合成为氘，虽然双质子融合几率很低，但是太阳有10^57个质子，大约10%位于太阳核心，因此从这么大的基数来看，发生质子-质子融合的数量还是很多的。

在氘形成以后，会迅速在捕获一个质子变为氦-3，两个氦-3会继续融合为氦-4，太阳内部每秒钟大约有4×10^38个质子会聚变为氦-4，而这个过程中会有400万吨的质量转化为能量。上图就是太阳聚变重元素的过程，但最后也只能将元素聚变为碳、氮、氧，并发生循环，最后太阳会在行星状星云中死亡，在其核心会留下以碳为主的白矮星。

但是在质量更大的恒星中，会将元素一路聚变到铁，上图展示了更大质量的恒星各种元素聚变发生位置，那么恒星最后的聚变为何会在铁元素停止，发生超新星爆发，核心要么坍缩为中子星，要么变为黑洞呢？

上图可以看到在铁元素以前，元素的聚变都会释放能量，而到了铁以后会发生了变化，这些元素融合聚变以后就不再释放能量，反而会吸收能量，因此恒星到铁以后都无法在继续聚变，而铁核达到了一定的质量会在引力的作用下剧烈的收缩，释放出巨大的引力势能，将整颗恒星炸毁。既然恒星无法聚变比铁更重的元素，那么元素周期表中的其他重元素是咋来的？

其他更重的元素的诞生得益于超新星爆发或者是中子星相撞后产生的巨大能量并且会释放出大量的高能中子，这些中子会被其他元素捕获，使得元素变为更重的元素，铁以后的元素都是这么来的，而这个过程被称为快中子和慢中子捕获过程。
总结一下
宇宙最基础的元素氢来自于大爆炸的核合成，而比氢重的元素来自于各种质量恒星聚变的结果，铁元素之所以聚变不下去是因为它不再释放能量，或导致核心聚变停止塌缩，毁灭整颗恒星，恒星在毁灭的过程中发生的中子捕获过程，又为宇宙创造了比铁更重的元素。

构成我们的物质从何而来，为何铁元素是核聚变的终结者？

这个问题不错，涉及到了对宇宙的起源、发展演化、物质循环的系统性认知。从我们所生活的地球上的物体，再拓宽视野进入太阳系，然后是银河系，再到更加广袤的河外星系，共同组成了我们可观测宇宙的一部分，而这些宏观物体都是由微观原子构成，而微观原子又由于质子和中子的不同组合，形成了丰富多彩的物质世界。那么，我们追根溯源，这些物质都是怎么来的呢？
宇宙大爆炸－所有物质的起源
其实在人类刚开始探测宇宙的奥秘时，并没有意识到我们的宇宙到底从何而来，直到科学家们相继观测到宇宙微波背景辐射时，应用现有理论体系根本无法进行合理解释。后来，随着哈勃利用天文望远镜长期观测到目标星体与地球的距离在逐渐远离，距离越远的星系红移现象越明显，科学界才逐渐形成了宇宙逐渐膨胀的事实，然后以现在的时间点进行倒推，提出了现在的宇宙来源于最初质量无限大、体积无限小、能量无穷高的奇点大爆炸假说。

大约138亿年前，在奇点大爆炸的瞬间，随着巨大能量的释放，宇宙空间呈现大暴涨，以指数级体积增长的方式奠定了原始宇宙的基础。在大暴涨之后，能量在真空环境下发生衰变，逐渐产生质子、中子、电子、夸克等所有基本粒子。几十万年之后，通过真空衰变的长时间酝酿，质子和中子才慢慢地结合形成原子核，然后又过了几十万年，这些原子核和电子才进行了结合，从而诞生了宇宙中第一批中性原子，其中占比最高的为氢、其次为氦，氢的比例可以达到90%以上，从而为宇宙中星体的诞生创造了最基本的条件。
恒星核聚变－接纳大爆炸后产生的物质并且创造新物质
根据科学家推测，在宇宙奇点大爆炸之后的几亿年时间里，星际空间中充斥着的物质主要是氢和氦等质量非常轻的气体，宇宙中没有一点光明。随后，在星际气体相互之间引力的作用下，这些气体开始抱团，有些规模较大的气团又相互聚合，形成原始星云团。

这些星云团与星云团之间开始发生了比较明显的引力扰动现象，促使一部分区域形成气体密度更大的空间，从而可以吸聚更多的星际气体，而且吸聚的速度越来越快，在气体相互撞击和引力压缩的影响下，形成了温度逐渐上升的核心区，恒星的“胚胎”逐渐登上了 历史 舞台，因此宇宙中最原始的一批恒星，是诞生于宇宙大爆炸之后5-6亿年左右的。

当核心区积聚的物质规模达到一定程度，使得核心区温度上升到700-1000万摄氏度时，就会触发之前吸聚大量氢元素的核聚变临界点，核心区就会开启氢元素的核聚变进程，从而拉开了恒星的序幕。之后，通过4个氢原子核聚变形成1个氦原子核、同时释放若干光子和相应能量的链式反应，恒星内部持续进行着氢元素的消耗，而向外源源不断地释放着光子和能量。

维持恒星内部核聚变进程的主要因素在于内核的温度，温度的维持依赖着参与核聚变物质的不断输入，而恒星内核在核聚变的过程中，会向外产生一定的辐射压，这个辐射压在一定程度上阻止了恒星继续从外界吸收星际气体的能力，所以恒星的核聚变能够进行到什么程度，取决于在发生聚变前的原始质量。在聚变过程中，随着氢元素的不断消耗，内部温度逐步下降，向外的辐射压不足以支撑重力作用引发坍缩，而在坍缩过程中，恒星外层原来没有参与核聚变的氢元素，补充进内核，从而又提升了内核的温度和压力，确保恒星内聚变的持续。可见，恒星之所以能够维持相对稳定的形态，与辐射压和重力相互之间的博弈有直接关系。

然而，当恒星质量较小时，在反复的坍缩之后，外层也没有多作的氢元素了，恒星内部的温度就会逐渐降低，恒星的核聚变就会慢慢终止，此时恒星核聚变的产物就以氦为主，慢慢过渡到红矮星行列。当恒星的质量较大时，可以维持内部核聚变温度条件的物质基础就比较雄厚，可以满足支撑到氦到碳、碳到氧等等后续的核聚变条件。也就是说，不同质量的恒星，其最终核聚变的产生不尽相同，于是就相应地在产生氦、碳、氧、氖、镁、硅、磷、硫、铁之后完成恒星主序期的使命。

而一旦聚变形成铁元素，因为其比结合能在所有元素中是最高的，其发生核聚变所释放的能量要低于需要输入的能量，无论恒星质量多大，都不能再引发后续的核聚变，聚变也到达了终点。
超新星爆发－推动更重元素的产生
当恒星在完成所有的核聚变之后，如果残余的质量仍大于钱德拉塞卡极限（1.44倍太阳质量），则恒星外壳的引力将会超过简并压，恒星发生剧烈收缩，使得内部某些区域的温度和压力迅速升高，电子简并气体中电子会被原子核俘获，引发电子俘获反应，进一步减小简并压，使得坍缩更为加剧。

另一方面，电子俘获反应相应释放一定量的伽马射线（光子），使得区域温度迅速升高，达到重新启动核聚变的条件，不过这个核聚变是处于失控状态的，会在局部区域产生高能量的激波向外层反弹，从而将恒星的部分组成物质从内向外与恒星本体剥离，引发超新星爆发，根据激波能量的大小，这种爆发持续的时间有长有短，也有可能短时间内就将恒星炸毁。

由于超新星爆发时温度超高，可以达到1000多亿摄氏度，所激发的超高能量可以释放大量的高能中子，这些高能中子如果与其它同时被释放的其它元素相结合，就会在高温环境下形成比铁元素更重的其它元素。
总结一下
通过恒星的这种从吸聚物质、核聚变、释放聚变物质、合成新物质的周期性变化过程，从而形成了目前宇宙中丰富多彩的元素，而这些元素又作为其它恒星、行星、卫星以及星际尘埃的重要组成部分。因此，构成地球以及我们人体的所有物质，其元素来源即可以追溯到最初的宇宙大爆炸，也来源于这一区域上一任恒星的发展演化以及超新星的爆发，同时也是太阳系形成过程中对这些物质的吸聚和重组的过程。

其实真是一个很好的问题，它主要涉及到宇宙大爆炸、恒星内部的机制以及超新星爆炸，我们可以按时间线捋一捋这个问题到底是咋回事。
宇宙大爆炸
话说，我们的宇宙起源于一次大爆炸。

这是目前主流的看法，主要的证据有宇宙微波背景辐射，氦丰度，以及哈勃观测到的星系的退行。详细点说，就是哈勃发现了宇宙里的星系正在远离我们，但是不是星系在动，而是它们所在的空间在膨胀，我们观测就会感觉好像是在退行。如果把时间往回追溯，那宇宙最早不就是一个点？

从宇宙大爆炸出发，科学家不断地完善宇宙模型。而按照目前的理论，宇宙大爆炸之后，1秒内特别精彩，如果总结一下就是：

空间：宇宙膨胀得超级快，在10^-33秒内，经历100次加倍，空间变大为原来的10^30倍，这也被称为大暴胀。

物质：一开始宇宙充满能量，没有任何物质，慢慢地，各种比原子尺寸小的粒子出现了，诸如：质子、电子、夸克等等

作用力：四大作用力也分离了出来，分别是：强相互作用力、弱相互作用力、电磁力，万有引力。它们是万物的粘合剂，如果没有四大作用力的柞村，就不会有物质的存在，不会有太阳，更不会有地球和我们，宇宙万物将成为一片散沙。

这些事情都发生在宇宙大爆炸的第一秒内，宇宙的温度，密度都降了下来，在大概30万年后，质子俘获电子形成了中心的原子。

所以，我们宇宙当中，大量的元素都是氢和氦，这是前两个顺位的元素，原子核内的质子数都特别少，氢只有一个，而氦只有两个。氢和氦的占比超过了99%。那其他大号的元素到底从哪里来呢？
恒星
而产生更大顺位的元素就需要更强的外界作用才行，在宇宙大爆炸之后的5亿年之前，宇宙是一片漆黑的，因为没光源。宇宙中的主要成分就是一些气态物质。这些气态物质在引力下慢慢地形成了密度稍微高一些的气体云块，然后再逐渐形成了恒星。所以，第一代恒星大概出现在宇宙大爆炸之后的5亿年前后。

那恒星为什么会发光呢？

这其实是因为 核心内部有聚类的核聚变反应。

发现没有核聚变反应前后，有可能会造成原子序数变大，说白了就是产生更高顺位的元素。不过，恒星内部的核反应要比普通的氢核聚变复杂一下。主要是有两种方式，

一种叫做：质子-质子反应链（简称P-P链），最终生成氦-4

另外一种叫做：碳氮氧循环，最终也是生成氦-4，其中碳氮氧以及少量氟在这个过程中会充当反应的催化剂。

这两种反应是汉斯贝特等科学家提出来，并且得到了观测的验证。他们的理论还影响了粒子物理标准模型，并且获得了诺贝尔奖，可以说是相当坚实的理论。

所以，恒星在主序星时期，会燃烧氢（核聚变），生成氦-4。质量不同的恒星，其实内部的情况或多或少有些差异，主要就是PP反应链多一点，还是少一点的问题。而之所以可以发生核聚变反应，是因为自身引力导致中心温度升高，加上量子隧穿效应，最终达到了可以点燃氢的水平，就会发生核聚变反应。

元素炼丹炉&超新星爆炸
恒星在主序星时代结束时，会变成红巨星或者超红巨星。

这是因为由于质量的减少，自身引力减弱，导致引力无法与核心核聚变反应产生向外的压力抗衡，所以会膨胀起来。我们以太阳为例来分析，就是下面这样：

紧接着，恒星会继续燃烧氦，然后是碳，氧等，发现没有，开始有其他元素的出现了。大多数的恒星其实都停在了铁元素之前，这是因为铁元素太稳定了，它核聚变反应所需的能量比所释放的能量还要多，这不是入不敷出了么？所以，如果质量不够大的恒星，一般来说说就会停在铁之前。

如果质量足够大，那恒星由于自身引力足够大，还会继续压缩核心，温度不断升高，最终达到铁核聚变反应的条件，然后发生超新星爆炸。

超新星爆炸由于能量巨大无比，就会可以合成顺位在铁之后的元素，宇宙中大号的元素基本上都来自于一场场超新星爆炸。

所以，我们可以来总结一下，

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积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 从微观角度上,铁由铁原子构成.从宏观角度上,铁由铁元素构成【因为铁元素就是指所有的铁原子】那么, - ？
仇刚森克： 水是由水分子构成的,水分子又是由氢原子和氧原子构成.从宏观看是由这两种元素组成,元素不等同于原子,元素是具有相同核电荷数一类原子的统称,而原子只是其中一个.

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 化学元素周期表中有哪些元素是由原子构成的?为什么铁是由原子构成的?还有哪些是原子构成,哪些不是原子构成的?为什么…… - ？
仇刚森克：[答案] 由原子直接构成的物质包括3大类 1:金属单质(Fe.Cu等) 2:稀有气体(Ar.等) 3:非金属固体(P等)

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 构成物质的粒子有分子,原子和离子.水是由 - ------构成的,铁是由-------构成 - ？
仇刚森克： 你应该是初中生 由原子构成的物质包含三种情况:1、金属. 如:汞、铁 2、稀有气体. 如:氖气、氦气 3、非金属中的固体. 如:碳、硫等.由分子构成的物质:它的元素组成特点是:非金属和非金属.如:CO2 碳元素和氧元素都是非金属元素. H2O 氢元素和氧元素都是非金属元素.由离子构成的物质:它的元素组成特点是:金属和非金属.常考 氯化钠 如:NaCl 钠元素为金属元素,氯元素为非金属元素.

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 物质是由什么组成的? - ？
仇刚森克： 从宏观上来看,物质由各种元素组成.从微观上看,物质由各种粒子构成.从宏观的角度看:物质由已经发现的一百多种元素组成.从微观上看,物质的构成有三种情况:①由原子直接构成.所有的金属单质、稀有气体、固体非金属单质由原子直接构成,例如金属铁、氦气、硫单质等等.特殊的是二氧化硅,二氧化硅是由原子直接构成的.②由分子构成.原子之间通过共价键形成分子,分子再构成物质.一般强酸、非金属化合物(除了铵盐)都是由分子构成的,例如二氧化碳、硫酸等等.③由离子构成.原子之间通过得失电子,形成离子键,形成离子,构成物质.一般碱类、盐类物质及其他金属化合物都是由离子构成的(少数不活泼金属除外,如三氯化铝).

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 为什么物质都是由元素组成的 有一些物质是由离子直接构成的呀! - ？
仇刚森克： 前面一句,物质都是由元素组成的.意思就是,不管什么物质,都是由元素组成的.比如CO2是由碳元素和氧元素组成的,O2是由氧元素组成的.所以元素是包括这个元素的所有状态的,不管是多少化合价.钠离子Na+也叫作钠元素的. 离子化合物,是由离子构成的,例如NaCl,由钠离子和氯离子组成的,也可以说氯化钠由钠元素和氯元素组成的. 说简单点,离子也是元素组成的.

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 物质构成的奥秘不少于500字 - ？
仇刚森克： 如何描述[物质的组成和构成 一. 理顺关系 即理顺物质(指纯净物,下同)、元素、微观粒子之间的关系,这是正确描述物质组成和构成的提前.下图较好的概括了物质、元素、分子、原子和离子之间的关系. 由图可知: 1. 物质是由元素组成的...

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 铁是由什么物质组成的 - ？
仇刚森克： 纯铁就是由铁原子组成的. 通常意义上的铁是含碳量大于..的铁.还有一些别的杂质. 含碳量少于一定的铁,通常被叫做钢! 但铁组成其实很复杂,还有什么马氏体奥氏体啊,的.还有些钢不能被磁铁吸引!

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 铁在人体中的作用是什么? - ？
仇刚森克： 人体内运输氧气要依靠血红蛋白,而铁是构成血红蛋白的重要成分!!!

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 金元素是如何形成的,恒星把氢压缩成氦,然后继续压缩变成铁等元素,那么金元素是如何产生的! - ？
仇刚森克： 楼主说对了一半.金元素的确是大质量的恒星产物,并且是超新星爆炸才能核聚变成金、银等重的金属元素.它爆炸在形成黑洞之前,其内层但不是最中心处也会随着恒星的爆炸被抛向宇宙.就在这个爆炸的时刻,温度和压力等条件满足了重金属元素的热核聚变,生成了重元素,并随着爆炸被抛出.然后爆炸后的超新星内部的热核反应已经远远不足以抵抗它自身的引力,才自行坍塌成黑洞的.

积石山保安族东乡族撒拉族自治县15231664138： 铁原子能不能说由铁元素组成呢?为什么啊 - ？
仇刚森克：[答案] 不能, 1、概念 元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称. 原子是化学变化中的最小微粒. 2、区别 元素着眼于种类不表示个数,没有数量多少的含义;原子既表示种类又讲个数,有数量的含义. 3、使用领域 元素是用来描述物质的宏观组成(习惯...