关于解释核作用力的一个新模型及其延伸意义——粒子能量、质量、电荷的本质联系再探讨

丁荣培,邱仁华

（1.湘电集团有限公司，湖南 长沙,410015；2.湖南大学化学化工学院，湖南 长沙，400082）

1 核作用力前期研究的一些困惑

1935 年日本物理学家汤川秀树为了解释核作用力的传递方式问题，提出“介子传递核力”假设，认为核力场通过交换一种质量介入电子与核子之间其质量约为电子质量200 多倍的“介子”来传递核力，该理论将核力看作是通过交换称作介子的粒子所产生的交换力[1]。

1.1μ 子曾被认为是传递核力的媒介粒子，传递核力的所谓媒介粒子一直在变来变去。

1936 年安德森等人在宇宙线中发现有质量约200MeV 的μ 子存在，并称之为μ 介子，当时以为它就是汤川所预言的粒子。现在，μ 子不再归入介子范畴而被称为μ 电子。1947 年鲍威尔等人在宇宙线中发现有质量比μ 子更重的π 介子，这一次人们宣称这个就是汤川所预言传递核力的介子。现在流行的量子色动力学（QCD）理论认为强相互作用是通过胶子传递的[2]。

所谓传递核力的媒介粒子一直在变来变去，人们就像猜谜语一样猜测核力的性质和它的作用原理，对它的了解从根本上可以说是相当肤浅的。

1.2 按照理论力学中动量守恒定律，如果介子或胶子传递力，则传递效果表现出来的应该是排斥力，而核力却是吸引力。比如，两个人在湖中划船，并相互传递篮球，根据动量守恒定律，两个人感受到的必然是排斥力，两条船会随着篮球的在两人手中传来传去而越来越远，而核力是吸引力，并非排斥力。

1.3“介子” 或“胶子”传递核力的假说不能解释核裂变与核聚变这两种不同类型核反应过程中“介子”或“胶子”是如何作用并将能量转化和释放出来。力随介子传递过程中移动了距离，根据功的定义，功为力与位移内积，这个过程必然做功。事实上，稳定的原子核其核子间虽然存在核力，但是核力并没有发生位移而作功。这与介子传递核力的假设存在矛盾。核聚变是核子结合时释放能量，从理论力学分析，这是一种在核子相互吸引方向的力在作功释放能量。核裂变是重原子核分裂时释放能量，系一种排斥方向的力在作功释放能量。也就是说核聚变与核裂变时做功释放能量的力的作用方向是不同的，这就使得介子或胶子传递核力作用的过程变得十分奇怪。不管是核裂变还是核聚变，迄今为止，并没有发现介子或胶子在其中如何发生作用的相关证据。

2 解释核作用力的新模型：核子间由于自旋而产生的磁相互作用力呈现与距离四次方反比关系变化

《论粒子能量、质量、电荷本质联系及其引申意义》一文计算得出电子本体半径为1.406 飞米、质子本体半径为0.765 阿米[3]。

2.1 自旋时质子质量、速度、半径三者之间成反比关系，即粒子质量越大、速度越快，粒子自旋半径越小。正、负电子对可以看作是由一对光子转化而来，同理，正、负质子对可以看作是由一对能量更高的光子对转化而来。质子自旋角动量源自其“前世”光子自旋角动量，并遵守角动量守恒定律。即有：（式1），其中可以看作是粒子的自旋体半径、为粒子的自旋体质量、为粒子的自旋体线速度。

图1 单位质子磁矩（或称核磁子）简明示意图

2.4 两质子以相互向对方看过去的自旋顺时针或逆时针方向来确定自旋方向。自旋方向不以第三人观察者的角度确定，而两质子以相互向对方看过去的自旋顺时针或逆时针方向来确定自旋方向。在第三人观察者角度看是同向旋转，而从两质子角度来看是一个顺时针、一个逆时针沿着相反方向旋转，其产生的磁力方向为相互吸引。

2.5 两个质子在核力有效作用范围内，其磁相互作用力与两质子的自旋转速度有极强的关联。根据安培定律，两个稳恒电流之间的磁相互作用力，与两载流体之间形状、大小、相对位置和它们的电流分布情况有关（图2）。

图2 两个质子间由于自旋形成磁相互作用力简要说明图

由式7 和静电力的库仑定律的比较可以看出：一是两质子间静电力与两质子之间的距离的平方成反比；二是两质子间磁力不同于静电力，其作用力不仅与两质子之间的距离的平方成反比，而且与两质子的自旋速度的乘积成正比。

本文中在计算核子间相互作用力时所代入计算公式的相互距离是指客体中心之间相互距离（即非指客体球表面间相互距离，也非一客体球表面至另一客体中心间相互距离）。

2.6 两质子越来越接近，其自旋半径越来越小、自旋速度越来越大、由自旋引起的磁作用力越来越强，并非如传统理解象静电力一样随距离平方反比关系变化。质子间相互磁作用力随距离四次方反比关系变化。将式3：代入式

2.7“质子自旋体”间的磁力相互作用使“质子本体”自旋速度加快，“质子自旋体”进一步接近，在此过程中磁力势能转化为“质子本体”动能并对外作功，这就是核聚变释放能量过程。自旋速度和自旋半径均是量子化的，比如“质子本体”自旋速度达到四分之一光速、自旋半径达到0.84 飞米时，质子自旋速度和自旋半径处于稳定状态。可以判断，两质子间距离大于临界点时，静电力（库仑力）与磁力相比占有优势并表现为排斥力，距离小于临界点时，磁力与静电力（库仑力）相比处于优势并表现吸引力。

2.8 质子间相互作用力是静电力（库仑力）与磁力综合作用的结果。两质子间静电力（库仑力）按距离平方反比关系变化而磁力按距离四次方的反比关系变化，排斥方向的静电力与吸引方向的磁力存在此消彼长的关系。

表1 两个“质子自旋体”间不同距离时静电力与磁力综合相互作用计算结果（根据式11 计算）

2.10 原子核内，质子自旋、中子自旋因不同自旋转速度、不同能量状态而有不同的自旋半径，因此众多核子旋转形成的轨道壳层与核外电子的轨道壳层极为相似，不同的是核外电子有原子核这样的引力中心，而“质子本体”以量子化的自旋半径所作的自旋运动不需要引力中心，质子自旋产生的磁场使“质子本体”得以量子值维持自旋，就像带电粒子在加速器中围绕圆形轨道旋转的道理是一样的。

3 基于新模型应用的延伸探讨

3.1 对燃烧化学反应释放能量的分析与解释

例如，氢与氧结合燃烧时发生的化学反应过程中，本质上是外层电子结合成为电子对并释放能量。但是，从单纯库仑能的观点来看，电子因结合而靠近需要克服相互静电力的排斥作用，也就是需要外界提供能量而不是释放能量，电子间凭借什么力量克服静电排斥作用而相互靠近从而结合成电子对呢？唯有从电子自旋引起的磁相互作用使电子相互吸引并在靠近过程中释放磁势能才能合理解释这一我们司空见惯却又一直没有得到合理解释的现象。

3.2 对低温超导及库柏对的分析与解释

库柏对是指电子结合在一起的状态，在超导体中导电的不是自由电子，而是库柏对[7]。库柏对中电子自旋体的体积大大缩小，仅为自由电子状态时电子自旋体体积的约一百七十七万分之一大小，结成库柏对中的电子其自旋速变快而自旋半径变小，占据的体积按自旋半径三次方的反比关系快速变小，使得这些库柏对在晶格中运动时，与晶格几乎不发生动量交换，也就是几乎不发生碰撞，相当于不受到阻力，即超导体的电阻消失了。

3.3 基于新模型对轻子（或中微子）—核子深度非弹性散射实验的预言和解释

在轻子（或中微子）—中子深度非弹性散射实验中，轻子（或中微子）首先碰到的是中子“外壳”，即带负电荷的电子本体，“外壳”半径为1.406 飞米。中间是半径为0.765 阿米、带1 个正电荷的”质子本体”以0.84 飞米或0.21 飞米为自旋半径自旋形成的“质子自旋体”。当轻子（或中微子）从中子内部飞出来时又会遇到带负电的中子“外壳”。