新原子理論

孫國(guó)繁

（白城市文化廣播電視和旅游局，吉林 白城137000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)證實(shí)了原子的存在，并已證明原子有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)?；瘜W(xué)已闡明各種物體是由元素構(gòu)成的，原子是元素的最小單元[1]。一百多年來(lái)，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子（原子核）并逐步形成原子模型。本文提出了新原子理論，解決了已有原子理論存在的問(wèn)題。

原子是一種重要的微觀粒子，科學(xué)地認(rèn)識(shí)微觀粒子是從發(fā)現(xiàn)原子的組分——電子開(kāi)始的，然后逐步研究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)，隨著科技的發(fā)展，研究不斷深入，人們提出了不同的原子理論和原子結(jié)構(gòu)模型。原子結(jié)構(gòu)的主要模型有：盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型、波爾的原子軌道模型、索末菲的橢圓軌道模型、原子中各軌道的空間取向量子化模型、原子中電子的自旋運(yùn)動(dòng)模型和原子中的磁矩模型等[2]。波爾的原子軌道模型是原子中的電子圍繞原子核在不同軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)。波爾的原子理論被多數(shù)學(xué)者認(rèn)可并被納入高中物理教材。上述各種原子結(jié)構(gòu)理論均能從不同角度解釋物理實(shí)驗(yàn)的一些觀測(cè)結(jié)果，但均存在一些不足。

1 新原子理論

原子中的原子核是由強(qiáng)子（質(zhì)子、中子等）和媒介子等粒子組成；原子中的核外粒子是由輕子（電子等）和媒介子等粒子組成。原子核的質(zhì)量占原子總質(zhì)量的99.9%以上，是原子的主要組分。原子核高速旋轉(zhuǎn)，差不多每秒要轉(zhuǎn)1022轉(zhuǎn)，表面的轉(zhuǎn)速可達(dá)光速的10%左右[3]。原子中的原子核在其質(zhì)心帶動(dòng)核外粒子做高速旋轉(zhuǎn)，核外粒子在隨原子核旋轉(zhuǎn)的同時(shí)存在著各自的運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)，原子核的旋轉(zhuǎn)與核外粒子的運(yùn)動(dòng)相互影響、相互作用。原子中的原子核高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電場(chǎng)（磁場(chǎng)），電場(chǎng)（磁場(chǎng)）實(shí)際是高速旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)場(chǎng)，人們形象地描述電場(chǎng)（磁場(chǎng)）而引入了電場(chǎng)（磁力）線，電場(chǎng)（磁力）線是閉合曲線，“電場(chǎng)線起于正電荷（或無(wú)限遠(yuǎn)），止于負(fù)電荷（或無(wú)限遠(yuǎn)），在無(wú)電荷處不起不止”[4]。由此推之，原子中原子核高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的物質(zhì)流帶動(dòng)核外粒子做高速旋轉(zhuǎn)。原子是一種由原子核、核外粒子組成的密度由中心向外周遞減的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)球體（或類(lèi)球體）。原子中的核外粒子的運(yùn)動(dòng)速度是核外粒子隨原子核旋轉(zhuǎn)的線速度、核外粒子的運(yùn)動(dòng)速度和核外粒子的自旋速度的合速度。核外粒子的運(yùn)動(dòng)是在原子核高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的物質(zhì)流帶動(dòng)下環(huán)繞原子核的圓周運(yùn)動(dòng)。下面運(yùn)用新原子理論解決已有原子理論存在的問(wèn)題。

2 原子中核外粒子高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

當(dāng)核外粒子擺脫原子核束縛沖破原子時(shí)，核外粒子做為自由粒子高速運(yùn)動(dòng)。如宇宙線中的電子以及反電子、伽馬光子和中微子等次級(jí)宇宙線粒子等。原子處于基態(tài)時(shí)，核外粒子的高速運(yùn)動(dòng)是如何被原子核束縛在原子內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的？所有原子理論都沒(méi)有解釋也解釋不了核外粒子的高速運(yùn)動(dòng)是如何被原子核束縛在原子內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的。其實(shí)是：原子中的核外粒子高速運(yùn)動(dòng)是在原子核高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的物質(zhì)流帶動(dòng)控制下圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)。原子基態(tài)時(shí)，核外粒子的合運(yùn)動(dòng)還達(dá)不到脫離原子核旋轉(zhuǎn)的束縛，核外粒子在原子中圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)原子是穩(wěn)定的；原子激發(fā)態(tài)時(shí)，核外粒子獲得能量，核外粒子的運(yùn)動(dòng)提高到一定速度時(shí)，核外粒子將掙脫原子核旋轉(zhuǎn)的束縛，核外粒子變成自由粒子做高速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)原子是不穩(wěn)定的。

3 原子穩(wěn)定性問(wèn)題

根據(jù)經(jīng)典電磁理論，做加速運(yùn)動(dòng)的電子將不斷向外輻射電磁波。盧瑟福的核式原子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)存在嚴(yán)重缺陷：繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的電子由于不斷輻射電磁波而能量迅速減少，很快就“跌落”在原子核上，原子全部崩潰，原子是不穩(wěn)定的，但實(shí)際上原子是穩(wěn)定的。波爾的原子理論認(rèn)為：電子在定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生電磁輻射，因此就不會(huì)損失能量而落入核內(nèi)[1]。波爾理論與經(jīng)典電磁理論矛盾，在定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)的電子同樣是繞原子核高速旋轉(zhuǎn)，因此，電子一定發(fā)生電磁輻射。原子穩(wěn)定性問(wèn)題至今沒(méi)有解決。人們至今雖然還沒(méi)有觀測(cè)到電子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但電子由不同的組分組成是不爭(zhēng)的事實(shí)。電子是由高速旋轉(zhuǎn)的“電子核”和隨“電子核”高速旋轉(zhuǎn)的“場(chǎng)子”組成，“場(chǎng)子”實(shí)質(zhì)就是電磁波（物質(zhì)流）。電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電場(chǎng)（高速旋轉(zhuǎn)的“場(chǎng)子”），電場(chǎng)是一種特殊的物質(zhì)，電場(chǎng)與實(shí)物有共同性質(zhì)：既有質(zhì)量又有能量。電場(chǎng)與磁場(chǎng)在本質(zhì)上是相同的，磁場(chǎng)是磁體中電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。原子處于基態(tài)時(shí)，電子發(fā)射電磁波（“場(chǎng)子”）被束縛在電子里，電子沒(méi)有能量損失，電子不會(huì)“跌落”在原子核上。原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，電子發(fā)射部分電磁波（“場(chǎng)子”）或吸收部分電磁波（“場(chǎng)子”），電子躍遷到新能級(jí)上，電子損失“場(chǎng)子”或獲得“場(chǎng)子”有限，所以，電子也不會(huì)“跌落”在原子核上。如果溫度升高到104K 甚至105K 時(shí)，分子間和原子間的運(yùn)動(dòng)十分劇烈，彼此間已難以束縛，原子中的電子因具有相當(dāng)大的動(dòng)能而擺脫原子核對(duì)它的束縛，成為自由電子，原子失去電子變成帶正電的離子[5]。此時(shí)，原子破裂而形成自由電子和帶正電的離子。

4 原子中電子云問(wèn)題

量子理論提出：核外電子的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的方向和軌跡，只能用電子云描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)幾率的大小。通過(guò)理論計(jì)算，氫原子中的電子云分布在原點(diǎn)處的電子云密度最大，并隨半徑r 的增大作指數(shù)衰減, 因而氫原子中的電子云不是一個(gè)空心球，而是一個(gè)中心處電子云密度最大的實(shí)心球[6]。通過(guò)STM（掃描隧道顯微鏡）呈現(xiàn)出原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，原子基態(tài)的電子云像完全對(duì)稱(chēng)的球體；原子激發(fā)態(tài)的電子云像一只啞鈴那樣有2 個(gè)極點(diǎn)[7]。按照波爾的原子理論，核外電子的運(yùn)動(dòng)不會(huì)形成電子云，即使是多電子原子，多電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，原子瞬間只能呈現(xiàn)非常微小的多個(gè)點(diǎn)（多個(gè)電子和原子核）。如：在10-8cm氫原子范圍內(nèi)，一個(gè)10-17cm 大小的電子（約為氫原子10 億分之一）繞一個(gè)10-13cm 大小的質(zhì)子（約為氫原子10 萬(wàn)分之一）做圓周運(yùn)動(dòng)，氫原子內(nèi)任何瞬間僅能呈現(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)。新原子理論可以闡明原子中電子云：原子中原子核高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的物質(zhì)流在其質(zhì)心帶動(dòng)核外粒子高速旋轉(zhuǎn)，核外粒子中電子等有結(jié)構(gòu)的微觀粒子存在各種場(chǎng)（特殊物質(zhì)微粒）。原子中的原子核高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的物質(zhì)流、核外粒子及各種場(chǎng)（亞微觀粒子流）相互作用形成復(fù)雜微粒粒子球體（或類(lèi)球體），原子這種微觀粒子球體就呈現(xiàn)出中心密度大的“電子云”?！半娮釉啤敝皇切蜗蟮孛枋鲈觾?nèi)部狀態(tài)。

5 原子的殼層結(jié)構(gòu)問(wèn)題

原子殼層結(jié)構(gòu)理論是研究原子中核外電子能級(jí)層排布，它反映了元素性質(zhì)的周期性，元素的周期性是原子核外電子組態(tài)周期性的反映。原子殼層結(jié)構(gòu)理論遵守最低能量原理，泡利不兼容原理和洪特規(guī)則，將所有原子的核外電子排布在該原子核的周?chē)?。原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（基態(tài)）時(shí)，原子核外的電子分布在能量較低的電子層上（離核較近）；原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，核外電子受外加力作用吸收能量到能量較高的狀態(tài)。核外電子排布7 個(gè)能級(jí)層（周期），從低能級(jí)層到高能級(jí)層各能級(jí)層容納電子數(shù)分別為：2、8、8、18、18、32、32。由此可知，離核越近的能級(jí)層的電子越少。按照波爾原子理論，豈不是原子中心密度小，而原子周邊密度大，這與科學(xué)測(cè)量結(jié)果相矛盾。新原子理論可以很好解決這個(gè)矛盾，原子核中除了有質(zhì)子和中子外，還有大量的強(qiáng)子、傳播子及共振態(tài)等粒子，原子核高速旋轉(zhuǎn)時(shí)各種粒子形成了原子中心密度大周邊密度小狀態(tài)，這種狀態(tài)可以解釋各能級(jí)層所容納的電子數(shù)，原子中密度大的空間容納的電子少，密度小的空間容納的電子多。

新原子理論不僅適用于原子，而且還適用于原子核、質(zhì)子、電子等具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀粒子。