核聚变到铁就停止了,那么宇宙里比铁要重的元素都是怎么堆出来的?

“核聚变到铁元素就停止了”这句话不能从字面上这么理解。不能理解成大质量恒星一旦产生铁元素就不再核聚变了。而是必须这么理解,铁元素的产生是开启核聚变停止运行的按钮。

那么估计有大量的大仙大神们会问了:铁元素的产生如何让核聚变停止呢?

其实答案很简单的。就是以更剧烈的核聚变来停止的(与止戈为武是一个道理)。具体过程如下:

首先理解一下恒星的正常核聚变。恒星的正常核聚变就像足洋葱似的一圈一圈的,首先被点燃了的是氢聚变,接着的是氦聚变,再下去的就复杂多了,原子核聚变是两两而聚变的居多,可以氢氦产生锂,可以氦氦产生氧,可以氢氧,可以氦氧产生钙…………(如此等等,五花八门,好不热闹啊)不过,这些反应不论如何进行,其根本原因都是为了反重力(即在万有引力作用下产生的重力,重力的作用下为了不致于无穷无尽的坍塌下去必须有反重力作用,而热能即是有效的阻止重力坍塌的有效手段,),因此无论如何五花八门,只要是反应能产生热的,即可以抵抗重力作用。这个是恒星正常的热核反应过程。在这个过程中,产生元素质量越大正常地温度越高,同时由于元素质量大也会自然地向中心地带下沉而产生自然分层,虽说不是百分百地分得清清楚楚,却也是大致如此的。

那第二,了解一下不正常的核聚变反应吧。铁元素的产生是个奇葩式的反应,因为此反应不但不是放热反应而且还是个吸热反应。这个就不正常了,就打乱了恒星先前的重力与热的力学平衡。

由于在恒星的中心位置上产生了铁元素,如果仅仅只是产生一点点自然是什么鸟事情都没有。只不过既然可以产生铁元素就说明恒星的中心温度已经足以产生铁这一元素的条件,自然会是源源不断地产生的。然而产生的越多,热能损失得越大,恒星的中心位置上由于大量铁元素的产生而迅速降温,降温至不再产生铁元素的低温时止。这一行为立在恒星中心位置上热力迅速减弱而打破重力热力平衡。

为了弥补这个不平衡,恒星整体在重力作用下再度向中心位置坍塌。在坍塌挤压下恒星中心热能又迅速升高(挤压生热)甚至超过先前温度。从而又恢复了产生铁的热核反应。而这又产生了更多的铁元素来降温。从而又再度打破重力热力平衡。

第三,也是结论,停止热核反应的过程。

因此,我们在观察恒星的演化时,就看到了大质量恒星在演化后期有多次的像心脏跳动一样的收缩膨胀,再收缩再膨胀……的过程。而在这一过程中,规模一次胜过一次。因而恒星中心最高温度一次高过一次,压力也一次大过一次。

一直到恒星中心温度高达可以大量产生剧烈的核聚变反应而且还是可以点燃铁元素之后的好多核聚变反应的。因为大规模的收缩在恒星中心位置上迅速升高的温度可以比原先的高出好多好多的。而更多得多核聚变与更猛烈的核聚变不但产生铁元素,更产生了铁元素之后的元素(又是放热的)。而如此大规模的核聚变产生的超多的热能,再借由先前收缩产生的势能的反弹作用,让恒星受不了,因此产生的了最后的大爆炸,直接将恒星表层炸飞了。同时由于借用这一动力也将恒星内部挤压再度坍塌成中子星甚至是黑洞。从而从根本上停止了恒星的热核反应。

严格来说核聚变到铁就停止了是不对的,铁元素以上依然可以发生聚变反应。

但是为什么我们说恒星的聚变反应只能到铁元素呢?其实是这样的:

恒星之所以会发生聚变反应,是因为其质量足够使其核心区域产生足够的压力和温度,这样就引发了聚变反应。而聚变反应所产生的能量又向外侧抵消了物质重力的向心压力,所以恒星其实是一个平衡状态,这样才能保持长时间的存在。

而质量越大的恒星,核心的温度和压力也会越大,这样在氢元素消耗的差不多之后就可以不断引发下一轮的更重元素的聚变反应。新的的反应会继续产生能量,抵抗外层的压力。但是当聚变到铁元素的时候,外层的压力继续增加时,铁元素依然会发生聚变,不过铁元素聚变时吸收的能量要大于释放的能量。这样对于恒星来说,核心不但没有产生新的能量,反而被吸收掉一些,结果就是外层物质告诉撞击核心,造成了恒星的爆炸。

而大质量恒星的爆炸就是超新星,在爆炸的短时间内,核心区域会形成更高的压力和温度,这时比铁更重的元素会不断被聚变出来。

所以,当超新星爆炸时,这些超过铁的重元素才会被产生出来。

比如我们的太阳系,拥有重元素组成的行星,所以形成太阳系的物质都是曾经的恒星爆炸后的产物,而我们的太阳根据物质的频谱分析,其重元素的含量也可以证明太阳至少是第三代恒星。

除了大质量恒星爆炸可以产生铁以上的重元素外,恒星级天体的撞击和一些喷射流也都可以产生重元素。

恒星的核聚变是一个量变到质变的过程,从开始的氢聚变,到氦锂铍硼…的聚变,一直在产生新的质量更大的元素,周而复始,恒星的生命就是以这种方式得以延续。

不管是氢还是质量更大的其他元素,持续核聚变需要的条件就是巨大的温度和压力,与此同时聚变反应必须要释放出巨大能量,这个能量是支撑恒星庞大体态的力量源泉。而恒星的生命演化就是在这样一系列聚变的过程中,持续几十亿年的光景。然而,当元素周期边中的铁元素第一次在聚变中产生时,这颗恒星就将进入质变的开始,用凤凰涅槃来形容更恰当不过。

在元素周期表中,铁这个元素非常叛逆,不同于之前的元素,铁的聚变反应竟然不再产生新的能量,这对于体型庞大的恒星来说,巨大的灾难即将来临,收缩是它第一个反应,这代表着恒星正式进入衰退的状态。随着恒星中心铁元素的大量产生,能量补充减少,恒星中心的温度开始下降,于是恒星中心的膨胀压力也在减小。恒星巨大的身躯失去了可靠有力的支撑,于是坍缩开始了。

每一次的坍缩会换来核聚变需要的压力,核聚变又一次剧烈展开,生产出更多的铁,然后又一次坍缩,在一次又一次的坍缩中,终于有一天,量变带来质的变化,恒星忍受不了震颤的痛苦,终于以超新星爆发的姿态,完成了生命的终结,换来的是超高温和超高压下产生的各种大质量元素,这些元素包括我们最喜欢的钻石还有黄金、铀等重要金属元素。可以说元素周期边中铁以后的元素,都是以这种方式产生的。

所以从眼前来说,组成我们的世界的所有物质,都是几十亿上百亿年以来,无数大大小小恒星生存和幻灭的历史记录。不要以为宇宙遥远不可及和我们没啥关系,要知道组成太阳系的所有物质,甚至包括组成我们人体的物质,都来自于宇宙,来自遥远的超新星的爆炸。唯一不同的是这些物质当中有一部分以有机体的方式编组,形成了我们的有机体和智慧生命,是不是无法想像得到,我们的身体居然是宇宙超新星爆炸的成果组成。

首先,我们要知道,在138亿年前的宇宙大爆炸初期只形成了大约75%的氢,25%的氦,微量的氘(氢的稳定形态同位素),极其微量的氚(氢的放射性同位素)、锂和铍7。再往上的元素就没有了。这个过程叫太初核合成。并且氚和铍7都有放射性,之后它们就全部衰变成氦3和锂7了。

也就是说,宇宙中绝大部分的氢原子和氦原子已有138亿岁了,并且它们占据了目前宇宙元素总量的99%以上。之所以这两个元素在宇宙中的占比如此之高,是因为它们的核子数足够少,并且足够稳定。

之后的大部分元素都是由恒星生成的:

在小质量的恒星里,氢再聚变成氦,氦聚变成碳和氧,然后就到此为止了。

在质量较大的恒星里,氦可以继续聚变成氖、硅、镁一直到铁。当恒星中心的大多数质量都变成铁后,其中心部分所产生的压力将非常巨大,这导致电子被压入铁原子核,与原子核中的质子转变为中子,最后整个恒星核心都将变成中子。由于该中子核心极端致密,进一步的聚变反应也被中止。

所以大多数的恒星都是聚变到铁为止。那么,宇宙中主要有两种机制生成比铁更重的元素:

一是在晚期红巨星的大气中,有较低的中子通量,原子核可以继续吸收中子直到生成钋210,钋210有放射性,放出一个α粒子后衰变成铅206,如此循环。

二是在超新星爆发时有较高的中子通量,原子核可以快速吸收中子,生成更重的元素。但是更重的元素里只有钍232、铀235、铀238三种的半衰期较长(140亿年、7亿年、45亿年),因此比铀还重的元素最终都衰变成了钍和铀。

最后,在超新星爆发的同时,恒星将抛出几乎全部的外层物质,只留下一颗体积极小的中子星核心。在爆发过程中将伴随少量重元素的生成,从28号元素镍到94号元素钚(甚至更重的元素)都可能在此过程中生成。

可是,宇宙中只有少部分重元素是这么来的。

通常来说,铁之后的重元素主要通过原子核吸收中子并发生β衰变来产生更重的元素。超新星爆发的确可以在较短时期内制造出大量重元素,但超新星爆发过程中缺乏足量的中子供给,也就是说,超新星爆发并非是重元素生成的主要途径。

那么,宇宙中可以大规模释放中子的现象只有中子星的撞击和合并了当质量大约为太阳8到20倍的两颗相近恒星发生超新星爆发并遗留下中子星核心后,这两颗中子星将以两者的重心为回转轴进行公转。当两颗中子星不可避免地走向撞击或者合并时,这一过程将释放出巨大的能量和大量的中子,可以在极短时间内制造大量包括金、铂等贵金属元素在内的重元素。

然而,按照中子星的碰撞频率计算,重元素的产量远不及宇宙中的真实丰度。还有一种理论是说重元素的主要来源是极速旋转的超新星,它们产生强磁场并发生坍缩,进而形成金、铀等重元素。

此外,该理论还根据不同恒星的质量、年龄等条件判断了其可以产生的元素,例如质量只有太阳1/8的恒星能产生碳和氮元素,同时也能产生一半比铁重的元素。目前,这一新理论还有待更多证据的进一步检验。

最后的一些重元素的合成方式就是人类自己创造的,人工合成的元素基本都是放射性的。在元素周期表中基本上从95号~100来号左右就都是人工合成的了。

铁元素的特性为何如此神奇?

这是因为在118种元素中,原子序数太多或太少的元素,其核子结合的牢固程度都不高。而铁元素的原子序数(质子数)为26,所以铁元素的原子核相对于其它元素是最稳定的(这里指核稳定,不是化学性质)。

物质的基本单位是原子

在原子核中,质子和中子统称为核子。将核子从原子核中分离做功消耗的能量,被称为结合能。

也就是说,要把铁元素的每个核子(质子+中子)结合(或拆开)所需的能量在所有的元素中是最大的。这个能量就是原子核的结合能。

由于任一原子核的质量总是小于其组成核子的质量和(这一差值被称为质量亏损),那么,根据爱因斯坦的质能方程E=MC2,我们知道能量和质量是可以相互转化的。因此,结合能的大小可以由质能方程来推算:

结合能=(原子核内所有质子、中子的静止质量和-原子核静止质量)×光速2

再根据热力学第二定律(有序变无序):

铁元素的平均结合能=总结合能÷原子核中的粒子数

最终得出了:原子序数(质子数)小于铁的物质最终会聚变融合为铁元素,而质子数大于铁的物质最终会自发裂变或衰变为铁元素。

简单来说,所有原子核都有结合能,且这个能量是一个负数(表示一个核子需要这么多的能量才能逃离这个原子核)。原子核发生聚变和裂变的目的都是为了减少自身的能量储备(因为低能量级比高能量低更稳定)。

铁之前的元素的比结合能(结合能与核子数之比)随质子数的增长而增长,铁之后的元素的比结合能则随质子数的增长而下降。因此,高的结合能意味着更低的能量级,所以铁之前的元素会发生聚变来降低自身能量。而铁由于具有最紧密的原子核,无法通过聚变或裂变来释放能量,所以铁成了终极产物。

这意味着当恒星的核心聚变为铁元素时,便宣告了自身的死期到来。随后,恒星尸体便会塌缩成中子星或黑洞。

因此,未来的宇宙万物都会趋向于变成“铁”的世界。

“核聚变到铁元素就停止了”这句话并不准确,铁元素之后核聚变依旧进行,只是聚变的条件更加苛刻,铁元素之后的核聚变不再释放能量,而是吸收能量。因此,恒星的平衡就被打破了,恒星核聚变就进行不下去了。

为什么会出现这种情况呢?

首先,我们要理解两个概念:

结合能:原子核是核子(质子和中子)通过核力结合在一起的,如果把核子分开所需要的能量就叫作结合能。所以核子越多,所需要的能量就越多,结合能就越高。

比结合能:也叫作平均结合能,就是原子核的结合能与核子数之比,叫作比结合能。所以元素的比结合能越高说明原子核越稳定。

元素核子比结合能变化曲线

由上图可以看出,铁元素的比结合能最高,也就是说铁元素最稳定。

恒星核聚变是一步步进行的,首先是氢聚变形成氦元素,氦元素聚变形成碳元素,之后形成氧元素,以此类推形成铁元素。

为什么恒星核聚变到铁元素就停止了,因为恒星之所以稳定是由于恒星核聚变释放的能量形成的推力与恒星内部的万有引力达到一个微妙的平衡状态。

铁元素聚变吸收能量,打破了这种平衡,导致恒星向内坍缩,根据恒星质量大小,最终会形成白矮星和超新星。

恒星演化过程

那么铁元素之后的 重元素是怎么形成的呢?

大质量恒星在向内坍缩过程中产生了超高的压力和温度,给铁元素聚变提供了条件,从而形成了铁之后的重元素。

这个过程就是超新星爆发,而且超新星爆发的过程是很短暂的,但是超新星爆发所释放的能量是非常恐怖的,一场小规模的超新星爆发所释放的能量也超过太阳100亿年所释放能量的总和。

超新星爆发释放巨大能量和自由中子,铁原子核俘获自由中子,从而合成了金、银铜等重元素。

超新星爆发

此外,近些年观测发现中子星碰撞也可以形成重元素。

超新星也就是宇宙重元素的播种者,超新星抛撒到星际空间的物质会成为下一代恒星形成的材料。

也就是说组成我们身体的物质都是恒星的一部分,印证了那句“我们都是星空中的一粒尘埃!”。

结论

所以说恒星核聚变到铁为止,但是后期的超新星爆发形成了铁之后的重元素,并把重元素播撒到宇宙空间。

相对于恒星的演化过程动辄几十亿上百亿年,我们人类的存在真的只是一刹那!

根据熵增理论,宇宙最终回归混沌,死亡才是宇宙最终的归宿。

宇宙中天体就是元素的集中地,星云尘埃气态行星固态行星恒星黑洞等,重元素依次增多,天体都是螺旋结构,分层密度由密到稀,地核地幔地壳大气,太阳也不例外,太阳核心是比铁更重的元素分层,铁是中层外层,外层气态层,就像个洋葱结构,当核心的重元素达到一定程度,量变到质量,内缩形成黑洞。超新星爆炸是升级成黑洞失败爆炸,在引力作用下形成残核,喷出来的重元素是核心的重元素,爆炸形成的重元素占比极少数。

时间是无限长的,没有开始更不可能结束。宇宙区区150亿年相对于无限长的时间轴来说只是极其短暂的一瞬间。我们恰好生在了这极短暂的150亿年中。

不废话,简单直接回答你。

知道中子星密度有多大么?一个汤勺大小的中子星物质,就可以穿透地球。就是这么重。

超新星爆炸是宇宙中比较常见的现象,金等重金属就是超新星爆发时喷发出的。是目前人类观测到比较常见的重金属生成方式。

就不谈黑洞怎么吸纳物质压缩物质了,那里边的密度更大,不说了,黑洞我不太懂,说多了容易跑偏。

总之你知道核聚变也只是恒星维持生命的普通方式而已,就像人的心跳血液循环一样普通。宇宙里比核聚变惨烈的生产方式还有很多。

好好过年吧,大过年的聊什么核聚变,搞得我都耽误钱红包了。

通常我们都认为,核聚变或者核裂变反应发生到铁元素的时候就会停止。在我们的日常生活中,也有不少比铁更重的元素,又或者说原子序数比铁更高的元素,但很明显,如果核聚变的反应发生到铁元素就停止了,那么这些比铁元素更重的元素到底是怎么来的呢?

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万有引力助力核聚变

实际上,我们人类想要实现可控的核聚变非常困难,所以到了今天,我们仍然也没有完全掌握可控的核聚变反应。现在我们已经都知道太阳的反应就是属于一种核聚变反应,而且它时刻都在进行着这样的反应,并且在不断地发光发热,为我们的生活提供所需要的能量。

这样看起来恒星的核聚变反应是非常容易发生的,而且反应的时间也可以很长,就拿我们的太阳来说,它大约还可以继续燃烧50亿年的时间。其实核聚变反应需要非常高的温度,恒星之所以可以产生核聚变反应,就是因为引力在其中发挥了非常关键的作用。

这个引力就是我们常说的万有引力作用,是由英国的科学家牛顿发现的。不仅与物体的质量有关,而且与物体之间的距离也有关,物体的质量越大的时候,引力作用也会越大,但物体之间的距离越远的时候,引力作用就越小,而且引力还会呈数量级衰减。又或者直接用这个公式来表达:F=GMm/r^2。

恒星中的物质就是受到万有引力的作用,而且由于它们的距离非常近,这个作用力也会变得比较大。所以恒星可以产生核聚变反应,并不是因为它一开始就可以达到很高的温度,而是受到了引力约束的影响,使物质之间的距离可以拉得很近,就达到了产生核聚变反应的条件。所以说,引力作用会在恒星核聚变反应中产生非常关键的作用。

恒星演化的机制

所有的物质都是由粒子组成,在形成恒星之前,宇宙空间中充斥了大量的气体,它们主要是氢气和氦气,其他的人数大约占有其中的1%,由于它们的距离拉得比较远,而且每一个粒子的质量都比较小,所以这一阶段的引力作用会非常小。

这些物质漂浮在宇宙空间中,在引力的作用下会相互吸引,然后有些物质就会慢慢地聚集在一起,渐渐地就形成了原始的恒星云。由于粒子之间的距离已经拉近了,所以粒子之间的引力也会变得越来越大,随着聚集在一起的物质变得越来越多,它们的质量也会变得越来越大,产生的引力也会更大,整体就表现为慢慢地收缩,向心的引力压也会变得越来越大。

随着恒星云在不断地收缩,但局部区域的收缩也会不均匀,这些不均匀渐渐就会使恒星云旋转起来,而且随着恒星云收缩得越来越小,旋转的速度也会变得越来越快,产生的离心力也会将最外围的物质甩出去,渐渐地就形成了一个恒星吸积盘。

随着恒星核心收缩越来越快,核心的压力以及温度都会快速升高,温度就会达到一个临界点,也就可以引发氢核聚变反应,这时候就相当于恒星被点燃了。

根据引力定律,恒星的质量越大,所产生的向心引力压也会越大,就会导致恒星收缩得越来越紧密,也就是密度会变得越来越大,因此它的体质也会变得越来越小。但事实上这些分析并不完全符合事实,恒星也没有随着质量的变大,而使体积变得越来越小,这又是为什么呢?

其实在恒星的核心产生核聚变反应之后,就会释放出巨大的能量,同时也会产生非常强大的辐射压,相当于会产生向外扩张的效果。这些作用就会与引力压产生冲突,当这两种压力产生平衡的时候,就会使恒星维持在一个体积稳定、而且发光发热的球体。

核聚变速率与恒星质量的关系

虽然恒星的质量越大,并不会导致它们的体积越小,但在它们的核心区域,压力以及温度都会变得特别大,这是无法改变的事实。所以恒星内部的核聚变反应程度会更加激烈,也就是核聚变反应速率会更快,因此也会造成氢的消耗速度会更快,这也导致质量越大的恒星寿命越短。

质量越大的恒星所产生的辐射压也越大,才可以平衡核心区域更大的压力。非常高的温度也会使恒星表面上的物质的温度非常高,而且这一区域的物质,由于拥有更加充足的空间,很容易就会向外扩张。

由于质量越大的恒星表面温度越高,所以这些恒星的亮度也会很明亮,这也是恒星的质量越大,也会导致它们体积越大的原因。但不管它们的体质大到怎么样的情况,也存在一个极限,也就是恒星的质量会有一个上限,一般认为不能超过200倍太阳质量。

这是由于如果恒星的质量越大,就会导致内部的压力和温度越大,所以恒星的核聚变反应速率也会越大,瞬间就会释放出非常巨大的能量,同时也会产生非常高的辐射压,而这些辐射压已经远远地超出了引力压,大量的能量会充斥整个恒星,导致它们之间的距离会拉远,也有可能会导致恒星的结构瓦解。

恒星演化的结果

通常恒星进行核聚变反应会先消耗氢气,这是因为不同元素之间的核聚变反应所需要的条件是不一样的。按照理论计算,氢元素进行的核聚变反应通常都是2,000万度左右,实质上由于引力约束,太阳的核心区域只要达到1,500万度左右就能产生核聚变,而对于氦元素进行的核聚变反应,所需要的温度条件则是1亿度。

所以恒星进行的核聚变反应,通常只是消耗氢元素,由于还没有达到氦元素核聚变反应的条件,所以这些元素需要等到下一阶段的核聚变反应才会进行。其他元素的核聚变反应基本上也是一样,由于需要的条件不同,而且由于辐射压的存在,会限制下一阶段核聚变反应的形成。

但不管氢元素的核聚变如何反应,对于恒星来说,它们总有消耗完毕的一天,这时候核聚变反应就会停下来,但还没有触发下一阶段元素的核聚变反应。此时,由于辐射压已经消失了,引力压又达到了起到主导作用的地位,这时候会使这个天体继续缩小,然后核心的温度和压力又会继续升高,以达到下一阶段元素产生核聚变反应所需要的条件。

这样会导致天体的密度变得更大,经过了这些元素不同阶段的核聚变反应之后,这些天体的密度会变得越来越大,但只要可以满足条件,它们还是可以进行下一阶段的核聚变反应。所以核聚变反应并不会停留在铁元素阶段,还有可能会达到更高,成为原子序数更大的原子。

但这些天体的密度变得更大也是有限制的,因为这些天体里面也有不少的费米子,例如电子和中子都是属于费米子,它们会遵循泡利不相容原理,当它们被压缩到一定程度的时候,就无法继续压缩下去了。

它们之间会产生简并压,是由于费米子产生了相互排斥的作用,在一定的程度上就可以抵消引力压的作用,电子会产生电子简并压,中子也会产生中子简并压,只有引力压将这些简便压都压快的时候,才会坍缩到下一阶段。

有些恒星演化到末期,就会产生超新星大爆发,会释放出非常巨大的能量,它的亮度非常明亮,一般会持续几周或者几个月,但释放的能量可以与太阳一生中所释放的能量相媲美。大爆炸会将大部分的物质向外抛射,这时候由于核聚变反应所产生的比铁元素更重的元素,就会被抛射出来,所以就有了这些比较重的元素,当然恒星也会留下一个核心残骸。

这一次的内容就在这里,如果你喜欢的话,请大大地点一个赞吧!

综上所述,核聚变并不是到了铁元素就会停止,它会根据不同的条件,还会继续反应,产生比铁元素更重的元素,尤其是在一些大质量的恒星中,会有更大的其他可能,所以宇宙中比铁元素更重的元素就是这么来。你是怎么看的呢?

从氢开始,核聚变后让质子和中子们喜结连理,一起共入新房,生成新的原子后释放出多余的能量;

多余的能量继续让其他原子做核聚变,直到氢用完;

新的原子继续核聚变,生成更新的原子,并释放能量; 然而这新的原子架构复杂,需用能量维持; 所以对外释放能量开始少了;

大家伙知道怎么回事了吧,到铁这儿他的原子核欲求不满,不仅不对外释放能量,还要多收取一些能量。聚变不能延续了。

其实瘦一点的一般恒星如我们太阳,聚变到碳即止了。即仅能找到氢到碳的元素(太阳之上)。

而胖一点的引力巨大(质量巨大),延时较久……出现更多更重一点的元素了,当然在铁之前。

而若恒星达到太阳8倍以上,恒星死亡时将发生引力坍缩走向黑洞,同时超新星爆发,巨力压缩之下铁后面的元素也开始涌现……地球上的重元素就应是曾经超新星爆发的产物。

还有一个场景是两星相撞,一言不合就撞出了重元素。

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