新原子理论

孙国繁

（白城市文化广播电视和旅游局，吉林 白城137000）

随着科学技术的发展，人们已经证实了原子的存在，并已证明原子有复杂的结构和运动。化学已阐明各种物体是由元素构成的，原子是元素的最小单元[1]。一百多年来，科学家陆续发现了电子、质子和中子（原子核）并逐步形成原子模型。本文提出了新原子理论，解决了已有原子理论存在的问题。

原子是一种重要的微观粒子，科学地认识微观粒子是从发现原子的组分——电子开始的，然后逐步研究原子的内部结构及其运动，随着科技的发展，研究不断深入，人们提出了不同的原子理论和原子结构模型。原子结构的主要模型有：卢瑟福的核式结构模型、波尔的原子轨道模型、索末菲的椭圆轨道模型、原子中各轨道的空间取向量子化模型、原子中电子的自旋运动模型和原子中的磁矩模型等[2]。波尔的原子轨道模型是原子中的电子围绕原子核在不同轨道上做圆周运动。波尔的原子理论被多数学者认可并被纳入高中物理教材。上述各种原子结构理论均能从不同角度解释物理实验的一些观测结果，但均存在一些不足。

1 新原子理论

原子中的原子核是由强子（质子、中子等）和媒介子等粒子组成；原子中的核外粒子是由轻子（电子等）和媒介子等粒子组成。原子核的质量占原子总质量的99.9%以上，是原子的主要组分。原子核高速旋转，差不多每秒要转1022转，表面的转速可达光速的10%左右[3]。原子中的原子核在其质心带动核外粒子做高速旋转，核外粒子在随原子核旋转的同时存在着各自的运动和自转，原子核的旋转与核外粒子的运动相互影响、相互作用。原子中的原子核高速旋转产生电场（磁场），电场（磁场）实际是高速旋转的物质场，人们形象地描述电场（磁场）而引入了电场（磁力）线，电场（磁力）线是闭合曲线，“电场线起于正电荷（或无限远），止于负电荷（或无限远），在无电荷处不起不止”[4]。由此推之，原子中原子核高速旋转所产生的物质流带动核外粒子做高速旋转。原子是一种由原子核、核外粒子组成的密度由中心向外周递减的复杂旋转球体（或类球体）。原子中的核外粒子的运动速度是核外粒子随原子核旋转的线速度、核外粒子的运动速度和核外粒子的自旋速度的合速度。核外粒子的运动是在原子核高速旋转所产生的物质流带动下环绕原子核的圆周运动。下面运用新原子理论解决已有原子理论存在的问题。

2 原子中核外粒子高速运动问题

当核外粒子摆脱原子核束缚冲破原子时，核外粒子做为自由粒子高速运动。如宇宙线中的电子以及反电子、伽马光子和中微子等次级宇宙线粒子等。原子处于基态时，核外粒子的高速运动是如何被原子核束缚在原子内做圆周运动的？所有原子理论都没有解释也解释不了核外粒子的高速运动是如何被原子核束缚在原子内做圆周运动的。其实是：原子中的核外粒子高速运动是在原子核高速旋转所产生的物质流带动控制下围绕原子核做圆周运动。原子基态时，核外粒子的合运动还达不到脱离原子核旋转的束缚，核外粒子在原子中围绕原子核做圆周运动，此时原子是稳定的；原子激发态时，核外粒子获得能量，核外粒子的运动提高到一定速度时，核外粒子将挣脱原子核旋转的束缚，核外粒子变成自由粒子做高速运动，此时原子是不稳定的。

3 原子稳定性问题

根据经典电磁理论，做加速运动的电子将不断向外辐射电磁波。卢瑟福的核式原子结构学说存在严重缺陷：绕原子核高速旋转的电子由于不断辐射电磁波而能量迅速减少，很快就“跌落”在原子核上，原子全部崩溃，原子是不稳定的，但实际上原子是稳定的。波尔的原子理论认为：电子在定态轨道上运动，不会发生电磁辐射，因此就不会损失能量而落入核内[1]。波尔理论与经典电磁理论矛盾，在定态轨道上运动的电子同样是绕原子核高速旋转，因此，电子一定发生电磁辐射。原子稳定性问题至今没有解决。人们至今虽然还没有观测到电子的内部结构，但电子由不同的组分组成是不争的事实。电子是由高速旋转的“电子核”和随“电子核”高速旋转的“场子”组成，“场子”实质就是电磁波（物质流）。电子运动产生电场（高速旋转的“场子”），电场是一种特殊的物质，电场与实物有共同性质：既有质量又有能量。电场与磁场在本质上是相同的，磁场是磁体中电子运动产生的。原子处于基态时，电子发射电磁波（“场子”）被束缚在电子里，电子没有能量损失，电子不会“跌落”在原子核上。原子处于激发态时，电子发射部分电磁波（“场子”）或吸收部分电磁波（“场子”），电子跃迁到新能级上，电子损失“场子”或获得“场子”有限，所以，电子也不会“跌落”在原子核上。如果温度升高到104K 甚至105K 时，分子间和原子间的运动十分剧烈，彼此间已难以束缚，原子中的电子因具有相当大的动能而摆脱原子核对它的束缚，成为自由电子，原子失去电子变成带正电的离子[5]。此时，原子破裂而形成自由电子和带正电的离子。

4 原子中电子云问题

量子理论提出：核外电子的运动没有确定的方向和轨迹，只能用电子云描述它在原子核外空间某处出现几率的大小。通过理论计算，氢原子中的电子云分布在原点处的电子云密度最大，并随半径r 的增大作指数衰减, 因而氢原子中的电子云不是一个空心球，而是一个中心处电子云密度最大的实心球[6]。通过STM（扫描隧道显微镜）呈现出原子内部结构，原子基态的电子云像完全对称的球体；原子激发态的电子云像一只哑铃那样有2 个极点[7]。按照波尔的原子理论，核外电子的运动不会形成电子云，即使是多电子原子，多电子围绕原子核运动，原子瞬间只能呈现非常微小的多个点（多个电子和原子核）。如：在10-8cm氢原子范围内，一个10-17cm 大小的电子（约为氢原子10 亿分之一）绕一个10-13cm 大小的质子（约为氢原子10 万分之一）做圆周运动，氢原子内任何瞬间仅能呈现两个点。新原子理论可以阐明原子中电子云：原子中原子核高速旋转所产生的物质流在其质心带动核外粒子高速旋转，核外粒子中电子等有结构的微观粒子存在各种场（特殊物质微粒）。原子中的原子核高速旋转所产生的物质流、核外粒子及各种场（亚微观粒子流）相互作用形成复杂微粒粒子球体（或类球体），原子这种微观粒子球体就呈现出中心密度大的“电子云”。“电子云”只是形象地描述原子内部状态。

5 原子的壳层结构问题

原子壳层结构理论是研究原子中核外电子能级层排布，它反映了元素性质的周期性，元素的周期性是原子核外电子组态周期性的反映。原子壳层结构理论遵守最低能量原理，泡利不兼容原理和洪特规则，将所有原子的核外电子排布在该原子核的周围。原子处于稳定状态（基态）时，原子核外的电子分布在能量较低的电子层上（离核较近）；原子处于激发态时，核外电子受外加力作用吸收能量到能量较高的状态。核外电子排布7 个能级层（周期），从低能级层到高能级层各能级层容纳电子数分别为：2、8、8、18、18、32、32。由此可知，离核越近的能级层的电子越少。按照波尔原子理论，岂不是原子中心密度小，而原子周边密度大，这与科学测量结果相矛盾。新原子理论可以很好解决这个矛盾，原子核中除了有质子和中子外，还有大量的强子、传播子及共振态等粒子，原子核高速旋转时各种粒子形成了原子中心密度大周边密度小状态，这种状态可以解释各能级层所容纳的电子数，原子中密度大的空间容纳的电子少，密度小的空间容纳的电子多。

新原子理论不仅适用于原子，而且还适用于原子核、质子、电子等具有内部结构的微观粒子。