新原子理論

孫國繁

（白城市文化廣播電視和旅游局，吉林 白城137000）

隨著科學技術的發展，人們已經證實了原子的存在，并已證明原子有復雜的結構和運動。化學已闡明各種物體是由元素構成的，原子是元素的最小單元[1]。一百多年來，科學家陸續發現了電子、質子和中子（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題。

原子是一種重要的微觀粒子，科學地認識微觀粒子是從發現原子的組分——電子開始的，然后逐步研究原子的內部結構及其運動，隨著科技的發展，研究不斷深入，人們提出了不同的原子理論和原子結構模型。原子結構的主要模型有：盧瑟福的核式結構模型、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動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動。波爾的原子理論被多數學者認可并被納入高中物理教材。上述各種原子結構理論均能從不同角度解釋物理實驗的一些觀測結果，但均存在一些不足。

1 新原子理論

原子中的原子核是由強子（質子、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。原子核的質量占原子總質量的99.9%以上，是原子的主要組分。原子核高速旋轉，差不多每秒要轉1022轉，表面的轉速可達光速的10%左右[3]。原子中的原子核在其質心帶動核外粒子做高速旋轉，核外粒子在隨原子核旋轉的同時存在著各自的運動和自轉，原子核的旋轉與核外粒子的運動相互影響、相互作用。原子中的原子核高速旋轉產生電場（磁場），電場（磁場）實際是高速旋轉的物質場，人們形象地描述電場（磁場）而引入了電場（磁力）線，電場（磁力）線是閉合曲線，“電場線起于正電荷（或無限遠），止于負電荷（或無限遠），在無電荷處不起不止”[4]。由此推之，原子中原子核高速旋轉所產生的物質流帶動核外粒子做高速旋轉。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雜旋轉球體（或類球體）。原子中的核外粒子的運動速度是核外粒子隨原子核旋轉的線速度、核外粒子的運動速度和核外粒子的自旋速度的合速度。核外粒子的運動是在原子核高速旋轉所產生的物質流帶動下環繞原子核的圓周運動。下面運用新原子理論解決已有原子理論存在的問題。

2 原子中核外粒子高速運動問題

當核外粒子擺脫原子核束縛沖破原子時，核外粒子做為自由粒子高速運動。如宇宙線中的電子以及反電子、伽馬光子和中微子等次級宇宙線粒子等。原子處于基態時，核外粒子的高速運動是如何被原子核束縛在原子內做圓周運動的？所有原子理論都沒有解釋也解釋不了核外粒子的高速運動是如何被原子核束縛在原子內做圓周運動的。其實是：原子中的核外粒子高速運動是在原子核高速旋轉所產生的物質流帶動控制下圍繞原子核做圓周運動。原子基態時，核外粒子的合運動還達不到脫離原子核旋轉的束縛，核外粒子在原子中圍繞原子核做圓周運動，此時原子是穩定的；原子激發態時，核外粒子獲得能量，核外粒子的運動提高到一定速度時，核外粒子將掙脫原子核旋轉的束縛，核外粒子變成自由粒子做高速運動，此時原子是不穩定的。

3 原子穩定性問題

根據經典電磁理論，做加速運動的電子將不斷向外輻射電磁波。盧瑟福的核式原子結構學說存在嚴重缺陷：繞原子核高速旋轉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，原子是不穩定的，但實際上原子是穩定的。波爾的原子理論認為：電子在定態軌道上運動，不會發生電磁輻射，因此就不會損失能量而落入核內[1]。波爾理論與經典電磁理論矛盾，在定態軌道上運動的電子同樣是繞原子核高速旋轉，因此，電子一定發生電磁輻射。原子穩定性問題至今沒有解決。人們至今雖然還沒有觀測到電子的內部結構，但電子由不同的組分組成是不爭的事實。電子是由高速旋轉的“電子核”和隨“電子核”高速旋轉的“場子”組成，“場子”實質就是電磁波（物質流）。電子運動產生電場（高速旋轉的“場子”），電場是一種特殊的物質，電場與實物有共同性質：既有質量又有能量。電場與磁場在本質上是相同的，磁場是磁體中電子運動產生的。原子處于基態時，電子發射電磁波（“場子”）被束縛在電子里，電子沒有能量損失，電子不會“跌落”在原子核上。原子處于激發態時，電子發射部分電磁波（“場子”）或吸收部分電磁波（“場子”），電子躍遷到新能級上，電子損失“場子”或獲得“場子”有限，所以，電子也不會“跌落”在原子核上。如果溫度升高到104K 甚至105K 時，分子間和原子間的運動十分劇烈，彼此間已難以束縛，原子中的電子因具有相當大的動能而擺脫原子核對它的束縛，成為自由電子，原子失去電子變成帶正電的離子[5]。此時，原子破裂而形成自由電子和帶正電的離子。

4 原子中電子云問題

量子理論提出：核外電子的運動沒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幾率的大小。通過理論計算，氫原子中的電子云分布在原點處的電子云密度最大，并隨半徑r 的增大作指數衰減, 因而氫原子中的電子云不是一個空心球，而是一個中心處電子云密度最大的實心球[6]。通過STM（掃描隧道顯微鏡）呈現出原子內部結構，原子基態的電子云像完全對稱的球體；原子激發態的電子云像一只啞鈴那樣有2 個極點[7]。按照波爾的原子理論，核外電子的運動不會形成電子云，即使是多電子原子，多電子圍繞原子核運動，原子瞬間只能呈現非常微小的多個點（多個電子和原子核）。如：在10-8cm氫原子范圍內，一個10-17cm 大小的電子（約為氫原子10 億分之一）繞一個10-13cm 大小的質子（約為氫原子10 萬分之一）做圓周運動，氫原子內任何瞬間僅能呈現兩個點。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所產生的物質流在其質心帶動核外粒子高速旋轉，核外粒子中電子等有結構的微觀粒子存在各種場（特殊物質微粒）。原子中的原子核高速旋轉所產生的物質流、核外粒子及各種場（亞微觀粒子流）相互作用形成復雜微粒粒子球體（或類球體），原子這種微觀粒子球體就呈現出中心密度大的“電子云”。“電子云”只是形象地描述原子內部狀態。

5 原子的殼層結構問題

原子殼層結構理論是研究原子中核外電子能級層排布，它反映了元素性質的周期性，元素的周期性是原子核外電子組態周期性的反映。原子殼層結構理論遵守最低能量原理，泡利不兼容原理和洪特規則，將所有原子的核外電子排布在該原子核的周圍。原子處于穩定狀態（基態）時，原子核外的電子分布在能量較低的電子層上（離核較近）；原子處于激發態時，核外電子受外加力作用吸收能量到能量較高的狀態。核外電子排布7 個能級層（周期），從低能級層到高能級層各能級層容納電子數分別為：2、8、8、18、18、32、32。由此可知，離核越近的能級層的電子越少。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，這與科學測量結果相矛盾。新原子理論可以很好解決這個矛盾，原子核中除了有質子和中子外，還有大量的強子、傳播子及共振態等粒子，原子核高速旋轉時各種粒子形成了原子中心密度大周邊密度小狀態，這種狀態可以解釋各能級層所容納的電子數，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、質子、電子等具有內部結構的微觀粒子。