爲什麼說恆星核聚變到鐵元素就停止了？

恆星核聚變不止進行到鐵就停止了，而是到鎳-62！科普界普遍引用的恆星核聚變到鐵爲止是一種誤解。我們先來說說這個核合成終點的問題。

另外我假設題主可能是想知道恆星核聚變“爲什麼……到鐵元素就停止……”，實際上超新星爆照末期的聚變可以一直持續到錒系的釷、鈾和鈈。

我們先來看看化學元素週期表

上圖：鎳的原子序數是28，位於鐵後面，中間還隔了一個鈷（原子序數爲奇數的元素通常沒有爲偶數的穩定）。

（該查表的時候就要查查表）

鎳-62纔是終點！

鎳-62是鎳的同位素，具有28個質子和34箇中子。它是鎳的一種穩定的同位素，具有任何已知核素中核子平均最高的結合能，高達8.7945兆電子伏。人們常說Fe-56是“最穩定的原子核”，但僅僅因爲Fe-56具有所有核素中每個核子最低質量（但不是核子平均結合能）。

但Fe-56平均每個核子的質量最低是因爲Fe-56具有26/56 = 46.43％的質子，而62Ni僅具有28/62 = 45.16％的質子，而Fe-56中較多的且質量較輕的質子拉低了其核子平均質量。這就是爲什麼有相當多的科普文誤以爲鐵-56是恆星核合成的終點。但實際上結合能最低的鎳-62纔是終點！

上圖：核子結合能曲線，Ni-62纔是最高的，接着是Fe-58，然後纔是Fe-56。這三種元素被稱爲“鐵組同位素”，是宇宙中結合最強的三種核子。

爲什麼恆星核聚變合成只進行到鎳-62？

之所以恆星核聚變只能進行到鎳-62，那是因爲在鎳-62和鐵-56之前（我們通常會把兩者並提，因爲這兩者之間的鈷-56產物非常不穩定）的元素通過核合成形成時會釋放出淨能量，但越過了鎳62之後的核合成雖然可以進行但實際上是吸收能量的，在恆星內部高溫下，這些核素實際上無法真正穩定形成（從某種意義上受到熱力學第二定律限制）。

鎳同位素的高結合能通常使鎳成爲整個宇宙中許多核反應（包括中子俘獲反應）的“最終產物”，這也解釋了鎳在宇宙中相對較高的丰度。雖然宇宙中大部分鎳是通過超新星爆炸產生的鎳-58（最常見的同位素）和鎳-60（第二大），其他穩定同位素（鎳-61，鎳-62和鎳-64）非常罕見。這表明大多數鎳是在超新星核心蹋縮後立即從鎳-56捕獲中子的過程中產生的，逸出超新星爆炸的鎳-56會迅速衰變爲鈷-56然後再衰變爲穩定的鐵-56。結合能排名第二和第三的是Fe-58和Fe-56，其每個核子的結合能分別爲8.7922 MeV和8.7903 MeV。

上圖：純鎳單體

被誤解的“鐵”

對鐵-56更高核結合能的誤解可能源於天體物理學。在恆星的核合成過程的光蛻變和α捕獲之間的競爭導致產生的鎳-56比鎳-62更多，而鎳-56則在後來恆星外殼噴射過程中衰變爲鐵-56。這就是爲什麼最後恆星當中的鐵比鎳多的原因了(都怪光蛻變)。

上圖：光蛻變原理示意圖

鎳-56是超新星生命結束時硅燃燒的天然終端產物，是以14次α捕獲（4x14=56）並自碳開始構建更多重元素的階梯聚合反應的產物。超新星燃燒中的α過程自此結束，後面再通過α捕獲而產生的鋅-60所需能量高得多，這形成了一種能量壁壘，防止了恆星核合成中α階梯的延伸。而鎳之後的重元素則都是在超新星爆炸後的最後一秒中形成的。

上圖：11個α過程在恆星內次第展開，像是梯子一般。

未來這種誤解會越來越深，因爲最後的宇宙沒有“鎳”

然而，28個鎳-62原子還可在恆星核合成之後的過程中聚合成31個鐵-56原子，釋放出0.011u的能量;因此，在假設通過Adler-Bell-Jackiw反常的質子衰變足夠緩慢的前提下，沒有質子衰變的宇宙，未來將會只有“鐵星”而不會有“鎳星”。

總結

所以，恆星核聚變，而不是所有的核聚變（超新星爆炸最後一秒的核聚變是特例）最高到鎳才停止，但因爲鎳會因爲光蛻變變成鐵，所以最後就剩下了更多的鐵，甚至最後宇宙就只有鐵球（鐵球宇宙？）。結合能在“鐵組同位素”達到巔峰，這是造成恆信核聚變在此處結束的本質原因。