光的成因研究与分析

彭寿斌 刘同江

摘要：文章以所学的原子物理学和电磁物理学原理做基础，分析了原子核结构及其电场作用的特点，推证了物质电场的存在，再通过对电子旋转电场的进一步研究，找到了物质电场与旋转电场之间的联系。从而建立了“电子的旋转电场以物质电场为载体并与物质电场叠加传播形成光波的数理模型”。

关键词：光的成因；物质电场；电磁波

中图分类号：O431文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）06-0057-04

早在1864年，英国科学家麦克斯韦提出光是原子核外电子发生轨道跃迁释放出的电磁波。1888年，德国的物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。我们用高倍数显微镜实际看到的电子运动轨迹是旋转半径大小不一的杂乱的电子云团。下面就无序运动的电子发射出了有序排列的光谱的原因做如下分析。

一、物质电场

1．由原子结构理论可知“物质是由原子构成，原子是由原子核和核外电子构成，原子核由质子和中子构成”。目前已经证实了“质子和中子均由夸克构成，夸克由正电荷和负电荷构成”。根据静电场理论，正电荷能发射电场和负电荷能吸收电场。我们将二者结合在一起就可判定“任何物体都在发射电场，同时也在吸收其它物体发射来的电场。

在物体内部，带正电的原子核内被负电荷包围着，正电荷发射的电场被内部的负电荷吸收，形成物体内部的电场，即屏蔽电场。内部电场形成了原子间的辐射。在物体外层排布的原子核发射的电场，有一些要辐射到物体外部被其它物体内的负电荷接收，这就形成了物体与物体之间的穿透电场，即物质电场（如图1）。

图1AX两物体形成的物质电场示意图

2．以下实验可验证物质电场的存在。

（1）我们将两只手合拢，消除手上所带的静电荷，然后再快速分开，就会感到两手之间有一种静电引力，反复做会有同样的感觉。这说明两手之间有电场作用存在。这个电场不是摩擦产生的。

（2）在宇宙太空中，有许多恒星、行星、卫星、彗星和太空陨石。它们之间形成了一个由众多宇宙天体相互发射和吸收的、遍布整个宇宙空间的、物体固有的物质电场网。这个物质电场网构建了整个宇宙太空内各物体之间的联系。因为物体间的宏观距离较大，所以形成的这个物质电场强度非常微弱，其强度不会大于13.6除以两物体之间的距离L，即13.6/L。

二、光的成因

（一）旋转电场成因

核外电子围绕原子核高速旋转，原子核与核外电字之间存在一个随电子高速旋转的旋转电场（如图2）。

图2A物体产生的旋转电场的示意图

若A物体中原子a的序数是Z，原子核的带电量就是Z·e。此时原子核与核外电子产生的库仑引力。电子旋转需要的向心力是。因为库仑引力与向心力相等。由此得到电子的旋转半径。将r代入到中，得到由电子旋转速度决定的旋转电场公式：

（1）

将代入到旋转频率公式中，得到电子的旋转频率：

（2）

将频率再代入到角速度ω=2πυ中，得到旋转电场的角速度ω：

（3）

文中使用已知固定的物理常量：

介电常数ε0——8.8542×10-12 C2 N-1 m-2；

电子的质量m——9.1095×10-31Kg；

电子的电量e——1.6022×10-19C；

万有引力常数g——9.7805 ms-2；

圆周率π——3.1416 ；

电场速度C=2.9979×108 m.s-1。

计算求得旋转电场常数PE==2.2449×10-14 N C-1 m-4s4。此时公式1简化为：

（4）

由公式4看出，旋转电场强度Ea是电子旋转速度的四次方函数。

旋转电场频率常数Pυ==6.2842×10-4 m-3s2。此时公式2简化为：

υ= v3 （5）

由公式5看出，旋转电场的旋转频率是电子旋转速度的三次方函数。

旋转电场的角速度常数Pω==3.9485×10-3rad m-3s2，此时公式3简化为：

ω= v3 （6）

由公式6看出，旋转电场的旋转角速度是电子旋转速度的三次方函数。

（二）光波的产生过程

1．单电子产生的光波。

Ea是原子核与核外电子形成的旋转电场，其矢量方向由原子核指向核外电子，作用距离是半径r=，旋转电场辐射的能量限定在了A物体内部。A物体发射到X物体的物质电场是Ea→X，其矢量方向由A物体指向X物体，作用距离是AX两个物体之间的距离（见图3）。

图 3 物体发射电场的结构示意图

假设旋转电场Ea与物质电场Ea→X形成的夹角为α。求得旋转电场Ea的矢量公式：

Ea=Ea cosα+ Easinα （7）

由公式7看出，旋转电场Ea是一个有特定变化规律的余弦电场Eacosα和正弦电场Easinα构成，所以旋转电场Ea是一个信号电场。

旋转电场Ea与物质电场Ea→X都发源于原子核，旋转电场Ea与物质电场Ea→X共处于一个电场系统中。根据场强叠加原理，物质电场Ea→X与旋转电场Ea叠加后形成一个复合电场：

EA =Ea→X + Eacosα+ Easinα（8）

由公式8看出，叠加后的电场EA是一个由不变的物质电场Ea→X与可变的电场信号Ea形成的复合电场。物质电场Ea→X是一个相对恒定不变的载波电场，Ea是一个可变的信号电场，Ea→X是Ea的载体。当信号电场Ea随物质电场Ea→X传递时，这样就形成了由A物体发射到X物体的复合电场——电场波EA。这样旋转电场产生的能量随物质电场的传递，由A物体发射给了X物体。

物质电场Ea→X是一个在AX之间传播的电场，其传播速度是C=2.9979×108m.s-1。周期性的旋转电场与物质电场叠加传播就转变成了携带信号的电场波。这样就产生了电场波的周期和频率，因此形成了电场波的波长λ=。将电子的旋转频率υ= 代入λ=中，因此得到A物体发射的电场波的波长：

λ=（9）

已知C、e、ε0、m是定值常数，因此得到电场波的波长常数Pλ==4.7706×1011 m4s-3，此时波长公式8简化为：

（10）

Z是固定的原子序数。由公式10看出，信号电场的波长是电子旋转速度三次方的反比例函数。

因为旋转电场Ea是一个不停旋转的矢量参数。旋转电场Ea与物质电场Ea→X的夹角是一个时间的函数，即α（t）=ωt。将公式 ω= v3代入角函数α（t）=ωt中。由此得出旋转电场的时间函数式：

α（t）=t（11）

将α（t）=t再代入8式中，这样得到A物体发射的电场波随时间变化的函数式：

EA（t）= Ea→X + Eacos（）+ Easin（）（12）

因为物质电场Ea→X作用方向是由A物体的原子核发射指向物体X的，所以旋转电场Ea对物质电场Ea→X作用仅限定在物质电场Ea→X的传播方向上。因此函数α（t）固有的有效区间是〔2kπ-，2kπ+〕，这就自然形成了A物体发射是间断的半个电场波（另一半叠加到其它的物质电场上了）。由于物质电场是信号电场的携带者，其作用非常巨大。但是其大小Ea→X远远小于旋转电场Ea，强度大小可以忽略。此时公式12变成了带限定区间的电场波函数：

EA（t）=Eacos（v3t）+Easin（v3t），v3t∈〔2kπ-π/2，2kπ+π/2〕 （13）

由公式13看出，Eax=Ea cos（v3t）是一个随传播时间t变化的余弦函数。信号电场变化的方向与物质电场传播方向相同，该部分波是纵波。在1、4象内产生的是余弦函数的半波图像（见图4）。

图 4单电子形成的纵波信号示意图 图 5单子形成的横波信号示意图

由公式13得出，Eay= Easin（v3t）是一个随传播时间t变化的正弦函数。信号电场变化的方向与物质电场传播方向垂直，该部分波是横波。在1、4象内产生的是正弦函数的半波图像（见图5）。

小结：由公式13、图4和图5看出，物体A发射的电场波是在物质电场传播正方向上的余弦正向半波与正弦负向→正向半波构成的复合脉冲电场。这就是A 体发射到X物体的随传播时间和传播距离呈周期性变化的电磁波。

2．原子序数是Z的多电子产生的电场波。

Z个电子产生Z个旋转电场。Z个旋转电场与物质电场非同时叠加形成Z个出相位不同的复合电场，即：

∑Eai=Z=Ea→X+｛v14〔cos（ω1t+φ1）+sin（ω1t+φ1）〕+ v24〔cos（ω2t+φ2）+sin（ω2t+φ2）〕+v34〔cos（ω3t+φ3）+sin （ω3t+φ3）〕……｝（14）

在忽略物质电场Ea→X大小的情况下，A物体发射的电场强度近似等于A物体发射的信号电场强度，即：

∑EA≈｛v14〔cos（ω1t+φ1）+ sin（ω1t+φ1） 〕+ v24〔cos（ω2t+φ2） + sin （ω2t+φ2） 〕+v34〔cos（ω3t+φ3） + sin （ω3t+φ3） 〕……｝（15）

3．多原子多电子产生的电磁波。

若A物体是由a、b、c、d等多种原子构成时，A物体发射的电场近似于：

∑EA =｛va14〔cos（ωa1t+φa1） + sin（（ωa1t+φa1）〕+ va24〔cos（ωa2t+φa2）+ sin （ωa2t+φa2）〕+ va34〔cos（ωa3t+φa3）+ sin （ωa3t+φa3）〕……｝+｛vb14〔cos（ωb 1t+φb1） +sin（（ωb1t+φb1）〕+vb24〔cos（ωb2t+φb2）+sin（ωb2t+φb2）〕+vb34〔cos（ωb33t+φb3）+sin（ωb3t+φb3）〕+……，ωt∈〔2kπ-π/2，2kπ+π/2〕 （16）

由公式16看出，A物体发射的电磁波由a、b、c、d等原子发射的多个复合量子脉冲电场波构成。由于各电子形成信号电场的初相位都不同。这些不同相位的信号电场加载到物质电场上，便形成了连续的线性的排布的量子信号电场群，这就是量子化的电磁波。其中引起视网膜感觉的很小一段信号波群便是可见光，即我们讲的光波。

在光波场中，∑Eaix=｛va14〔cos（ωa1t+φa1） +va24〔cos（ωa2t+φa2） +cos（ωa3t+φa3）……｝+｛vb14〔cos（ωb1t+φb1）+vb24〔cos（ωb2t+φb2） +cos（ωb3t+φb3）……｝+……。∑Eaix是光的纵波信号群。方向与被照射物体内在X轴上的分量EXX相反。该电场削弱了被照射物体内原子核对核外电子的库仑引力，因此能引起核外电子的跃迁和旋转半径的突变。

｛va14〔sin（ωa1t+φa1）+va24〔sin（ωa2t+φa2）+sin（ωa3t+φa3）……｝+｛vX14〔sin（ωX1t+φX1）+vX24〔sin（ωX2t+φX2）+sin （ωX3t+φX3）……｝……是光波信号群的横波部分。该部分电场有正反两个方向。当物体受到光照射时，那些与电子旋转逆向的横波信号群能使核外电子加速。那些与电子旋转同向的横波信号群能使核外电子减速。因此被照射的物体能引起核外电子旋转速度的变化。

小结：（1）光是“物体表层电子产生的旋转电场与物质电场叠加形成的复合电场量子信号群在宇宙空间的直线传播”。

（2）物体发射的光是电场，当电子运动速度增大时，电子的旋转半径减小，电子与原子核形成的旋转电场强度就增强，物体的辐射能力就增强。辐射电场遇到物体并对电子做功的能量增强。

三、电磁波与光波的区别与联系

电磁波是振荡电路中极板上的正电荷直接发射的有规律变化的电场，这个电场是物质电场。光波是物体表层电子产生的旋转电场与物质电场叠加形成的复合电场在宇宙空间的直线传播。电磁波是单纯的物质电场，形成的是全波信号，无需传播介质。光波是物质电场与旋转电场叠加形成的电场信号群，物质电场是全波，携带的光信号是半波。物质电场是光波信号的传播载体和媒介。

四、结论

1．通过分析和试验证明“物质电场”是存在的。任何两个物体之间都存在物质电场，其强度非常微弱，其作用非常巨大。任何物体都会通过物质电场对周围其它物体产生作用和影响。

2．“光的成因数理模型”是在原子物理学和电磁物理学基础上建立起来的。电子旋转形成的旋转电场是光波信号的根源，电子旋转电场的强度是决定光能量的重要参数。在光的传播过程中，物质电场是光波的传播载体，任何两个物体间的电荷作用是光信号传播的动力。由于任何方向都存在物质电场，所以光可以射向任何方向。周期性旋转的电场与物质电场叠加传播形成周期性的光波信号，因此产生了光波的频率。信号电场和物质电场正向叠加的区间性形成了光波的量子性。光波信号的余弦波部分是纵波，可使被照射物体内的电子发生跃迁。正弦波部分是横波，可使被照射物体内电子的旋转速度增大和减小。

3．物体内部辐射的电场被内部电子吸收，形成了物体内部的能量平衡电场。物体表层电子在旋转过程中发射的电场和能量被其它物体表层电子吸收，造成该物体的能量辐射和损失。同时该物体在不断的吸收其它物体表层电场发射的电场和能量，造成物体能量的补充。地球上的物体处在地球与太阳构筑的稳定的大环境中，其电子的运动状态自然会长期稳定。该文在理论上破解了“原子的核模型与经典物理学”之间的矛盾。

4．该文合理的解释了光的成因，并能合理的解释光速恒定、光的量子性、光电效应、光的偏振、光的干涉与衍射和激光制冷等多种效应和现象。物质电场产生的作用与万有引力作用也有联系，建议学术界应进一步分析验证。

参考文献

[1]物理[M]．人民教育出版社，2007．

[2]周公度．结构和物性[M]．高等教育出版社，2000．

[3]严导淦．物理学[M]．高等教育出版社，1993．

作者简介：彭寿斌（1963-），男，山东利津人，中国石化胜利油田有限公司孤东采油厂工艺研究所高级工程师，研究方向：石油地质勘探与开发，对原子物理、地球物理和天文物理；刘同江（1967-），男，山东广饶人，中国石化胜利油田有限公司孤岛采油厂作业二大队高级工程师，研究方向：石油地质勘察

开发。

（责任编辑：周加转）