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构成质子和中子的电子模型及原子内部尺度

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发布日期:2018-11-12 15:29

 1、 原子构成的疑惑
  原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位。在卢瑟福原子模型中,一个原子包含一个原子核和若干围绕在原子核周围运动的电子,原子核由带正电荷的质子和电中性的中子组成;核外电子与原子核中带正电荷的质子共同保持原子的平衡,当质子数与电子数相同时这个原子就是电中性的,否则就是带有正电荷或负电荷的离子。
  虽然物理学家玻尔提出了电子层理论解决了卢瑟福原子模型的原子坍塌问题,但电子层理论认为:电子在电子层内要吸收或释放能量才能实现跃迁。因此,电子在一般情况下是很难进到电子层的,那这些电子又是怎么进到电子层的呢?围绕原子核周围运动的电子又是从哪来的呢?是什么力量使电子分层排布的呢?这些问题卢瑟福的原子模型和玻尔的电子层理论不能给出答案。
  对质子和中子的构成,物理学家先后提出了夸克模型和部分子模型。夸克模型认为,质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由一个上夸克和两个下夸克组成;上夸克带 2/3 正电荷,下夸克带 1/3负电荷,使质子带一个正电荷,中子不显电性。部分子模型认为,质子和中子由单一的无定形的部分子云组成。为统一夸克模型和部分子模型,物理学家费了很大功夫,“因为费恩曼的质子和中子的基本图像是包含大量部分子云,但理论界认为这种云只含三个夸克是不符合现实的。于是人们对模型做了相应的改进,即将夸克-部分子云分成两部分。一部分的夸克数目极少,称为‘价夸克’;一部分包含夸克-反夸克的‘夸克海’,然而,即使理论上允许存在任意数量的海夸克,他们仍然高估了实测的结构函数。理论家们又进一步改进夸克-部分子模型,为此引入‘胶子’到质子的组分里。这么做的理由是,如果核子只是由无相互作用的夸克组成,它们必然会散架。因此应当有某种相互作用实体将夸克黏在一起,这种假设性的粒子就是‘胶子’。”
  这样“,粒子物理学家将部分子认同为夸克,并由此产生一个不幸的后果。标度无关性的夸克-部分子解释要求在电子-质子相互作用中受撞击的夸克表现得像个自由粒子。如果这种夸克始终表现为自由粒子,那么人们会认为它是从部分子内部被打出来的,因此应当出现在碰撞碎片里。但是如同其他类型反应的情形下一样,人们并没有在电子散射的终态里观察到夸克。电子散射的碎片只是一簇正常的强子,这种现象必须通过添加一些假设到部分子模型才能解释。……这种假设是不可避免的,理论上也不尽合理。但是,随着夸克-部分子模型成为越来越多的粒子物理学家实践的中心内容,高能物理学家也不得不学着与这种不令人满意的状态共处。”
  美国物理学家斯蒂芬·温伯格写到:“组成普通物质的基本粒子和它们的同胞兄弟———轻子、光子、W 粒子、Z 粒子、夸克和胶子———都能很好地被标准模型所描述,这个模型是电弱理论和量子色动力学的综合,但它还不是最终的理论,不能给出最终的答案。到目前为此,人们也没有在所有实验、核爆炸、自然界等找到夸克和胶子的踪影。
  从卢瑟福的原子模型和夸克-部分子模型可知:原子核内没有电子和正电子。可原子核的衰变要放出电子或正电子,那放出的电子和正电子又是哪里来的呢?真是科学家所说的“受激”产生的吗?如果是,那又是怎么受的激呢?为什么要受激呢?为什么“受激”要产生电子或正电子,而不产生夸克呢?无论是卢瑟福的原子模型,还是夸克-部分子模型,都有许多问题不能解释。这些问题不能正确回答就仍然没有弄清楚原子的构成。
  2 、原子构成的推论
  由于人类从未观察到自由夸克和胶子,夸克和胶子也许存在,也许不存在。如果不存在夸克和胶子那我们的理论都将建立在空中楼阁上。我们能不能用哲学的思维来重新审视原子结构的问题,研究原子构成的成因呢?所以文章从正负电子的电荷入手,结合已有的实验和自然规律进行分析研究,认为正负电子就是最小的基本粒子,不存在比基本电荷更小的分数电荷粒子,质子和中子不是由夸克组成的,而是由正负电子组成的,组成中子的正负电子数相等,质子比中子多一个正电子。
  也许有人会反驳说,正负电子相遇会发生湮灭,不可能形成质子和中子。但是,湮灭不等于正负电子的消失,只是正负电子组合成为其他新粒子。电荷守恒定律告诉我们:在粒子的相互作用过程中,电荷是可以产生和消失的,然而电荷守恒并未因此而受到破坏。说明正负电子仍然存在,只是正负电子相遇结合后,正负电荷“基本平衡”而对外不显“电性”,但库仑力仍然存在。就象氧气和氢气在一定的条件下相遇湮灭产生水,变成了液体,氧原子和氢原子仍然存在,水在一定的条件下又还原成氧气和氢气。正负电子构成质子和中子的原理也应如此。
  3、 构成质子和中子的电子模型
  在日常生活中常见,正电子在宇宙中很少见,只是在宇宙射线和原子的衰变中能见到,但没有见到是不是就没有呢?科学发现,正负电子数量相等,总是成对出现或成对消失,为什么正电子就不见了呢?我认为是有的,而且还很多,之所以少见,是我们忽视了一个粒子———光子。所以,我认为组成质子和中子的正负电子就是从“正负电子对”获得的。
  从理论上说正负电子对可以垒积成无穷大的粒子,为什么又只垒积到质子和中子的大小就停止了呢?要解决这个问题,我们就必须要分析和研究正负电子的电量。物理学家告诉我们:正负电子质量相同,电量相等,电性相反,这是科学界一直遵循的理论。我认为恰恰是这一理论导致了我们对质子、中子构成的认识发生了偏差。
  我认为正负电子的电量是不相等的,电子比正电子的电量应该要大一点点。这样,当正负电子垒积到中子大小时就成为一个基本成熟的粒子,因中子的正负电子数相等,所以中子总的负电荷比总的正电荷略大。由于库仑力的作用,此时,中子就只能接收一个正电子,成为质子,成为质子后就再不能接收电子或正电子,也不能接收正负电子对。如果是一个中子与最后来的一个电子对(因为正负电子是成对出现和成对消失)结合时,则电子对被中子吸收,因总的负电荷比总的正电荷多,电子对中的正电子与中子结合成为质子,电子就在库仑力的作用下被中子的多余负电荷排斥到核外电子层,成为绕核运动的电子,组成了氢原子。如果是两个中子与最后来的一个电子对结合时,电子对中的正电子被一个中子吸收,成为质子,因为有正电子的出现,另一个中子与质子结合成为原子核,共同挤出电子到电子层,组成了氢的同位素氘。如果是三个中子与最后一个电子对结合时,电子对的正电子被一个中子吸收,成为质子,另两个中子与质子结合,共同挤出一个电子到电子层,成为氢的同位素氚。如果四个中子与两个电子对结合,则生成氦。依此类推,所有的原子就这样生成了,随着原子序数的增加,原子核外的电子增多,斥力将核外电子一个一个地挤入更高电子层,形成了核外电子的分层排列。
  在元素周期表中,同周期的元素电子层相同,从左到右质子数递增,原子核中的正电荷也在递增,对电子层的电子吸引力增大,所以原子的半径减小。同一族元素,从上到下,电子层增加,所以原子的半径增大。因库仑力的作用,为了保持原子的稳定,原子中如果质子偏多时则正电荷偏多,质子就会放出一个正电子成为中子;如果中子偏多则负电荷增多,中子则放出一个电子成为带正电荷的粒子,也可能中子吸收一个电子对,放出一个电子成为质子。
  组成质子和中子的简易模型为:图 1组成反质子与反中子的简易模型:图 2从模型可以看出,质子和中子内部充满正负电子,相互之间产生库仑力,构成强相互作用。在正负电子的库仑力失去平衡时,质子或中子将发生衰变,强相互作用和弱相互作用实际上都是库仑力的作用。
  介子、μ 子等其它粒子应为质子或中子的碎片,或者是没有成熟的质子或中子,只是有的带正电荷,有的带负电荷,有的显电中性,有的质量大,有的质量小。
  根据电子模型,我们可以预言:在实验中,如果条件相同的情况下,用粒子轰击质子或中子,会形成不同的质子或中子和粒子的碎片粒子。我们可以发现,这些碎片的总电荷是守恒的,也就是所有碎片的正负电荷之和(包括粒子及碎片)与质子或中子加粒子的电荷之和相同;碎片粒子衰变出的产物,电荷也同样是守恒的。
  电子模型认为:原子内部只有库仑力的作用,因此,电子进入电子层也只能是库仑力的作用。这样,我们还可以预言:在实验中,可以观测到两个电子的相互排斥力比两个正电子的相互排斥力要大。也可以观察到中子带少量的负电荷。
  4、 原子内部的尺度探究
  电子模型认为:电子比正电子的电荷要大一点点,到底大多少呢?下面我们以氘为例来计算:根据目前科学家的测定数据:Q负=1.6021765×10-19库仑,原子半径 r=5.292×10-11m,原子核半径 r核=1.5×10-15m,电子的质量为 9.109382×10-30kg,质子质量为 938.272046×1.783179 ×10-30=1.673107 ×10-27kg。 质子质量与电子质量之比为1836.8,约为 1837。按照电子模型,就是质子由 1837 个正负电子组成,质子多一个正电子,有 919 个正电子和 918 个电子;中子有 918个电子和 918 个正电子。因为电子的电荷比正电子大,所以原子内部总的负电荷就大于总的正电荷。核外电子层的电子受核内总的正电荷对其的引力和总的负电荷对其的斥力平衡。因为原子核总正电荷,表现的为引力,总负电荷表现的为斥力,所以引力的发力点应在核心,斥力的发力点应在核周边。
  
  即:电子比正电子的电荷大 7.81×10-23库仑。但是考虑到在原子中,质子主要表现的是引力,正负电子总的趋势是向内;中子主要表现的是斥力,正负电子总的趋势是向外,因此中子的半径应比质子的半径大,原子核的半径也应比目前测得的半径大,也就是实际比计算的每个电子的电量与正电子电量的差值还要小,估计电子的电量比正电子电量要大 3~5×10-23库仑。正负电子电量这样小的差值,很容易造成人们对其重要性的忽视,在目前的运用中,都会被忽略不计。但是当正负电子对垒积到中子大小时,这种特性和重要性就会显露出来。
  因为电子的电量比正电子的电量微大,结合成物质后电子就显得富余,所以自然界中就多见电子而很少见正电子。这也是质子整体带正电荷,中子内部带正电荷,外部带负电荷,正负电子电荷基本相等显电中性的原因。
  5、 证明与应用
  5.1 1967 年,查理·泰勒、亨利肯德和杰罗姆弗里德曼领导的联合实验小组利用美国斯坦福大学用 20GeV 的电子直线加速器,通过高能电子对质子内部进行探测,实现了电子-质子的深度非弹性散射,发现了质子内部有类似电子的散射中心。美籍物理学家斯蒂芬·温伯格写到:“令人惊诧的是,有相当大一部分高能电子作大角度散射。……大角度散射的观察和综合动量守恒定律,……人们相信,用这种方法在原子内部发现的小而重的粒子是夸克。”可是夸克带的电荷比电子小很多,体积比电子大很多,电子是高速运动,当碰到夸克时怎么会发生大角度散射呢?我们知道,高速运动的子弹碰到一定厚度的钢板都可以穿透,这样小而高速的电子碰到夸克应该是射入或穿透。再说,动量守恒定律没有考虑库仑力的作用。如果不考虑库仑力的作用,要么高能电子束几乎会全部发生大角度散射;要么几乎会全部射入或穿透夸克;也可以说就是碰到了质子,其它什么都没有。如果考虑库仑力的作用,只能是质子由正负电子组成,才会发生大部分高能电子束发生大角度散射。因此,电子-质子深度散射应该是高能电子束碰到了电子,而不是夸克。这个实验实际上是证明了质子内部有很多电子存在,说明质子和中子很可能是由正负电子组成的。
  5.2 杨振宁和李政道提出 K 介子的衰变证明弱相互作用中宇称不守恒,后经吴健雄用实验证实,K+介子衰变出现两种情况,一种是衰变为一个 π+和一个 π0,一种是衰变为两个 π+和一个 π-。即:K+→π++π0K+→π++π++π-用电子模型来解释:粒子衰变后电荷是守恒的。K+属于质子型介子,带一个正电荷,根据电荷守恒定律,如果衰变为两个 π 介子则为一个 π+和一个 π0。如果衰变为三个 π 介子则为两个 π+和一个 π-(或者还可衰变为一个 π+和两个 π0)。
  5.3 在原子核的衰变中,“富含中子的原子核的 β 衰变与电子一起发射出来的是反中微子,在富含质子的原子核的 β 衰变中与正电子一起发射出来的是中微子。”我们知道,质子比较稳定,也就是中子在发生衰变。如果质子、中子都是夸克组成的,那原子核的衰变怎么会发射出电子和正电子呢?为什么原子核内的质子数和中子数不同要发生相反的衰变结果呢?夸克-部分子模型又怎么解释这种现象呢?用电子模型解释为:强弱相互作用都是库仑力的作用,因为原子有多少个质子就有多少个正电荷,如果原子核中的中子多,说明负电荷就多,因此一个中子就要放出一个电子,成为与质子一样带正电荷的粒子,原子内部正电荷增加,以保持其原子内部电荷的整体平衡;如果质子多,则正电子就多,一个质子就会放出一个正电子,成为一个中子,原子内部负电荷增加,以保持其电荷的平衡。
  6、 结束语
  文章提出了一种新的原子模型,原子由质子、中子和核外电子组成,质子和中子是由正负电子组成。电子比正电子的电量大。当正负电子对湮灭时,正负电子并未被消灭,他们只是结合成了新粒子。因正负电荷基本平衡,所以新粒子显电中性,但库仑力仍然存在,并且强相互作用和弱相互作用实际上都是库仑力的作用。
  参考文献:
  [1]美国安得鲁·皮克林.构建夸克-粒子物理学的社会学史[M].湖南科学技术出版社,2012:113-114.
  [2]美国安得鲁·皮克林.构建夸克-粒子物理学的社会学史[M].王文浩译.湖南科学技术出版社,2012:112.
  [3]美国斯蒂芬·温伯格.亚原子粒子的发现[M].杨建邺.肖明译.湖南科学技术出版社,2006:209.
  [4]张三慧.大学物理学·电磁学(第二版)[M].北京:清华大学出版社,1999:6.
  [5]美国安得鲁·皮克林著.王文浩译.构建夸克-粒子物理学的社会学史.湖南科学技术出版社,2012:102-104.

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