物质的分子属性与原子核外的电子分布状态
                   ——核外电子的存在状态和物质分子对光吸收的关系

志勰

本文从物理的角度上对原子中电子存在的结构特点进行了分析,找到量子论不能采用力学角度进行解释的原因。从材料的属性上得出了物质的原子分子的结构属性和对光吸收的一个关系。


一、描述原子结构的意义和目的

      通常情况下,大量的物质发光现象被看作是核外电子运动变化的结果,因此光谱分析的结果被认为是原子结构证据的主要来源。另一种原子证据的来原则是我们对微观物质属性的分析,比如卢瑟福通过实验确定原子中原子核的属性。我们是通过元素的特征光谱来建立物质原子的结构模型,还是通过物质本身属性来建立物质原子模型,这存在一种选择性的问题。

      现代原子论通常被看作一种合理的物理理论,这主要是因为现代原子论能较为满意的解释原子发光的光谱现象。在它的建立过程中,似乎可以看作光谱分析和物质属性兼顾的模式。其实则不然。

      一方面是传统的原子论采用了卢瑟福的试验结论,原子的主要质量集中在原子的核心上,通常叫做原子核,带正电。核外电子则在核外空间中运动。另一方面则采用了原子光谱分析的结果。通过三个假设,(第一原子稳定态的假设、第二解释原子发光的电子跃迁的假设、第三限制轨道存在条件的轨道角动量量子化条件的假设)采用建立在经验事实基础上的巴尔末公式对原子发光现象进行解释。

      我们知道,原子核带正电,电子则带负电。依据电场间作用的规律-库仑定律,很自然的我们可以得到原子区域中电子和原子核的作用必然不能遵守这个定律。然而,传统原子论面对这样一个经验事实竟然视而不见,而建立轨道理论,这样原子微观粒子间的作用则完全抛到一边,进而忽略掉物理的含义,建立起数理关系和实验事实对应规则。大家知道,这就是量子理论的开端。

      在经过一个世纪的发展,量子论的确解释了很多的现象,但这种解释仅仅是在我们所采用的数理描述和客观事实的对应上。这期间付出了科技工作者大量的劳动和心血。

      如果我们建立物理理论的目的仅仅是为了满足这种原子层次的描述,那么,采用这种数理描述的方法来对原子现象的解释已经足够了,但是人类的探讨总是达到一个层次之后还要继续深入下去,即便在原子论建立之后,又针对微观物质结构的可能性建立了其它的理论,比如夸克理论、宇宙玄理论等等。但是,如果上一个层次的认识是错误的,那么对于认识更深的物质层次来说,则更容易出错。

      我想,人类在对未知的物质世界的认识上,追求人类对物质世界的理解是以接近于物质本身运动变化的真实是为目的。以数理描述模式为基础上建立的量子论不能满足人类对微观物质世界的这种目的。本文从微观物质的属性和可能的作用模式角度来探讨这个可以满足这种目的的原子结构模式。

二、电子在核外状态的经典解释及存在的问题

      1926年,德国物理学家波恩类比于光的强度,将单个电子在原子核外空间某处出现的几率密度同其波函数绝对值的平方联系起来,自此,统计物理学中的统计规律进入到原子领域。并且获得统计物理规律的本身和物质本身的存在状态相对应的描述,使原子领域的统计规律获得物理含义。

    一种典型的描述方法是将电子在原子核外空间所存在的几率密度采用质点密度的方法来表示,以小黑点的疏密对应表示1s电子云几率密度的大小。如图:它表示氢原子核外1s电子云的图形。

    在这种表达式中,似乎已经将电子的存在状态和电子轨道较为有机的融合在一起,其实则不然。

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      如果电子在它确定的轨道上运行,并且电子在一个轨道向另一个轨道跃迁的过程中发射一个光子的话,采用这种描述的方法是行不通的。这主要取决于如下的几种原因:

      1、在任意时刻,电子作为一种物质质,在空间中存在的唯一确定性

      电子在原子核外的空间中存在,在任一个时刻,它不能即在a位置,又在b位置。如果在原子核中同一个时刻,在a位置存在一个电子,同时在b位置也存在一个电子,那么a位置的电子必然和b位置的电子不是同一个电子。也就是说是两个电子。

      既然电子在原子核外层空间中在任意时刻只能存在一个位置。那么图中所画的小黑点的疏密对应表示1s电子云几率密度作为电子的存在状态则是行不通的。因为图中所画的是电子在原子核外层空间存在的可能位置,它包含电子在原子核外层空间存在过程中所有可能出现的位置,同时也包含在原子核外层空间(1s轨道)所有存在的时间,而不是任一个时刻,电子在原子核外层空间存在只能是一个点位置。

      这样的事实在人类的生活过程中永远不会出现:一个水分子在地球的空间中存在,我们根据水分子在地球空间中可能存在的位置,将整个的地球外层空间所有水分子可能出现的空间点,我想没有人会把这种采用质点密度的方法把水分子可能在地球外层的存在的空间点叫做水分子云。并且也不会有人把它当做水分子在地球空间中的某种存在状态。因为这是这个水分子所有存在的可能性。采用所有可能性来描述水分子的存在状态,对于水分子的状态来说,没有任何意义。这和核外的电子云描述没有区别。

      采用电子云描述与核外电子的存在状态是无效的。

2、物质的作用模式

      在量子论中,原子核外的电子的存在状态采用四个量子数来进行描述:

      主量子数n:主量子数确定电子能量的主要因素,同时确定电子出现几率最大的区域离核的远近。能量小的电子离核较近的地方出现的几率较大,能量大的电子在离核较远的地方出现的几率较大。根据电子离核近远,可以认为电子是分层的。

      角量子数l:每一个电子层是由一个或几个分层组成,每个分层是由角量子数标志,其数值决定个分层能量高低和原子轨道的形状。

      磁量子数m: 磁量子数决定原子轨道在空间的取向。

      自旋量子数:自旋量子数决定电子自旋的方向。

      由于量子数的取值方案是采用整数的取值方案,那么电子从一个轨道跃迁到另一个轨道的时候,电子在两个轨道的状态必然不能是连续的。或者说不能采用因果律去进行解释,采用作用的模式必然是一种渐变的过程。量子论的探讨这把这个问题叫做掷股子问题。实际上,这个问题和掷股子问题完全是两回事。掷股子完全是一个力学的过程,从力学过程里我们完全可以对掷股子问题进行解释。然而,量子论的问题则不能采用任何力学的模式(作用的模式)进行解释。两种状态是突变的。量子论中的这个电子从一种状态到另一种状态的电子轨道跃迁的解释只能是一种超距作用、非因果律的解释方案。否则,电子的量子数必然可以取连续数值。

      3、电荷间的作用量级

      我们先来计算一个简单的问题:

      假若库仑定律在原子范围成立,则:

      电子的静止质量是9.109534×10-31kg、玻尔半径为5.2917706×10-11m,将这两个数值带入库仑定律中我们可以得到原子核外的两个电子间的作用力大概在10-7牛。这是一个电子所受到另一个电子的作用力,我们在将这个作用力和电子的质量带入到牛顿第二运动定律中,那么我们可以得到这个作用力足可以使电子获得1024m/s的加速度。

      试问这样大的作用力(和电子的质量相比)作用在电子身上,电子怎么会不受影响的在各自的轨道上运行呢。只有一个电子的氢原子我们还可以理解,那么具有两个电子以上的原子,电子只能在原子的作用平衡位置存在。如图:

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      如果一个电子运动,另一个电子由于电子给与它的电场的作用,必然做相应的运动。原子中的电子在没有受到外界作用力的时候,只能处于相对静止状态。换句话说,电子间只能处于电场作用间的相对静止状态。如果考虑到原子核中质子的作用,那么在没有受到外界作用的时候,原子核中的电子只能是相对于原子状态的静止状态。或者说,在没有受到外界作用力的情况下,原子核、电子是相对静止的。单独的一个原子的存在状态则必然是这种状态。如图:

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      注:图中小红球代表质子,白球代表中子,黑球代表核外电子。

      从物质粒子间作用的角度上来考察一个原子中原子核和核外电子的存在状态,电子和原子核相对静止是唯一的形式,没有除此之外的其它形式存在的可能。(原子核仅具有一个质子的氢原子例外,因为电子还可能围绕原子核进行旋转,但是根据加速运动的电荷会对外辐射电磁作用,它和空间存在确定的作用形式,如果没有外界对它提供作用,其最终也要变成电子和原子核相对静止的状态。)

      4、电子的存在状态和电子轨道的不相容性

      如果电子在原子核外层空间存在确定的轨道,并且电子在这些轨道上稳定运行的时候,原子是一种稳定状态。那么,这个核外电子即不发射光子,同时也不吸收光子。

      前面我们已经看过了电子云描述,那么电子云是采用几率的描述模式对电子在原子核外的电子轨道上出现的可能性进行描述。如果电子存在稳定的轨道,那么对电子存在状态的可能性必然不能采用几率的模式进行描述,因为如果电子的轨道是稳定的,那么,电子在这个稳定轨道里的地位应该是等同的,不会因为在轨道里的位置不同而存在出现的可能性变小,或者说几率的不同。否则,电子在电子轨道中的位置存在差异就意味着轨道的不同,意味着存在不同的量。实际上,我们不能找到一个核外电子轨道上的任一个位置点在这个电子轨道里是优先的任何依据。

      电子更不可能在原子核外的轨道外面存在,否则,那就不能叫做电子轨道。因为它可以在电子轨道外存在。电子轨道外的空间点仍然在电子轨道的范围里。这样,几率的概念对于量子论中核外电子存在来说,没有任何意义。采用几率的概念反而是画蛇添足,自己给自己找麻烦。几率的概念和电子轨道理论是不相容的。

  

     综上所述,我们可以看到,传统的量子论对原子的结构进行解释完全排除了作为带电体的作用属性,仅将核外电子当作一种不和外界发生作用的质点看待。从电子作为一个电荷并且会和具有电场的物质间存在作用的角度来看,现在的量子论中对于原子结构的看法是没有任何的力学的依据的。实际上,现代的量子论对核外电子的电子轨道模型很多,如图:

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      我们只要采用库仑定律对电子间的电的作用计算一下就知道,原子核外层的电子的存在状态绝对不会出现上图所表示的可能,即便库仑定律不能成立,只要电子间存在着宏观条件下成立的库仑定律的相互作用,那么上图中的可能仍然不会出现。至少电子不能是运动的模式。也不会出现图中所画出的电子区域,而只能是在没有外来作用的前提下,电子之间是相对静止的模式。

   (这样的结论可以这样来进行简单的分析,如果库仑定律成立,那么核外电子会受到原子核的吸引,上图中所画的这些图形不是以以原子核中心为圆心的图形,采用电子高速圆周运动来克服原子核的电的吸引力则没有任何依据了)

      如果确认库仑定律在原子的领域中成立,那么如上设计的这些原子核外的电子轨道结构图在物质间作用的角度上来说没有任何的意义。

      如果原子结构的基础是通过力的作用(场的作用)来实现的,并且原子核外的电子的行为受力学支配(因果规律),那么量子论所建立的结构也没有意义。

      如果我们确立仅建立原子模型和原子光谱事实相对应的描述原则,那么这种量子数理描述不会提供给我们任何微观力学结构的可能。这不是我们所希望的物质结构。

三、原子核外电子存在的可能模式

   1、原子中电的作用

      如果我们确认原子核外的电子在原子核中的存在是以一个电子的形式而存在,那么它必然要对原子的空间提供一个电荷对外提供的场的作用。这一点是不用怀疑的。我们可以采用如下的方法来判断:如图:

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    如果我们将一个金属上的电子给移走一部分,那么这个物体对外界是不是会存在一个对外界的作用。其结果很容易采用验电器进行检验,并且也很容易检验电荷对外界作用的规律。大家知道,这导致了库仑定律的发现。

    如果我们减少物体中电子的数量,物体对外界表现出减少电荷的作用。这表明,电子对原子的空间提供一个电荷对外提供的场的作用。宏观上表现出来的库仑定律的作用规律并不能适用于电荷所有情况下的作用规律。这一点可参见扭称试验对库仑定律的证明范围以及电的作用(本站电磁理论与原子论)

  有一点毫无疑问,电子在原子中存在电场的作用,并且和各个带电的粒子间存在电场的作用。

    2、原子中电子作用的模式

    一方面,传统物理学中采用轨道的理论来解释原子中电子的存在状态,这是一种数理的解释方法。我们不论这种解释方法对原子发光规律解释的如何成功,但这种方法并不能解释原子领域各个带电粒子间的作用规律和属性。对此我们只能根据客观事实假设电子的存在状态。前面我们已经探讨了这个问题,这样的解释方法在物理上是不能成功的对原子现象给与解释的。

  另一方面,电子在原子中存在电场的作用,并且会表现为力的属性。这一点应用到解释原子的结构中是从物理的角度来解释原子结构的一种方法。但是,这样的解释方法由于微观物质间物质作用属性缺少有效的试验条件,来确定微观物质间的作用规律,这给与我们采用作用的模式对原子结构的解释增加了一定的困难。

   根据物质的点源作用在空间中的两个哲学观念的特点:

  (1)作用源对外界提供的作用不会因为在空间的延伸而在它提供的总的作用数量上而减弱。

  (2)在不存在其它作用的时候,空间的任意点作为作用的载体是各向同性。

  (可参见电磁理论与原子论栏目中的电的作用以及时间空间与物质的运动栏目中的电荷的属性——以及基本电荷相互作用的特点

   物质的点源作用在空间上的分布上必然要遵守平方反比定律。但是,作为存在确定结构的带电粒子,在两个带电粒子近距离处的相互作用,其作用力的方向(反映出的作用力的特点)由于带电粒子的结构形成的空间作用分布特点不能采用平方反比定律。但其作用的强度在空间位置的分布强度一定遵守(或者近似一定遵守)平方反比定律。

    3、原子中电子的存在状态

    前面我们已经探讨了在原子范围内电子间作用的量级,电子间的作用强度是很大的,如果依据库仑定律在原子范围内成立来估算,电子间的作用力足可以使电子产生1024m/s的加速度。电子和原子核之间的作用也不列外,即便由于电子的作用方向的问题,库仑定律不能成立,那么尽管电子和原子核间不能表现为吸引和排斥简单的力的关系,电子间作用的量级仍然不会有丝毫的减少,这一点是由点源作用的平方反比定律来决定的。这说明,电子和电子之间、电子和原子核之间存在很强烈的相互作用。

    我们生活的空间中大都在开氏300度左右,温度是标示物质微观运动状态的物理量,采用动量来对物体的温度定量是合适的。(这一点请参见机械运动能量体系中的温度的概念第三部分 “三、温度的概念”2000.4.6)这表明,在宏观上来说,作为物体的物质微观粒子在不停的进行分子势能和分子动能间相互作用的转化,物体分子空间中作用力不停的在处于一种动态的作用力分布。这一点是由分子的运动所形成的分子间的作用形成的,而不是由于分子的轨道运动或者分子属性的本身造成。量子论中有这样的观点存在,即便在物体的温度达到开氏0摄氏度后,原子中的电子和分子中的原子仍然会存在一种运动,这种运动是一种对原子、分子的结构假设的轨道而形成的属性的运动。那么从这种作用的角度上看,如果物体达到开氏0度之后,物体分子间的运动、分子中原子间的运动、原子中电子的运动,都会相对于物体静止,而不是运动。这是采用传统的以数理为描述对象的量子理论和以物质个体间相互作用描述为对象的物质微观结构间的区别。

      气体分子作为分子个体的运动,在没有和外界发生相互作用的时候,气体分子中各个原子、原子中各个电子会趋向于静止,这个外界作用包括分子间的碰撞、分子和粒子间的碰撞、电磁波的作用等由外界引发的作用。

   电子在原子中的运动规律完全是没有任何规律的运动,电子的运动完全依赖于外界给与原子的作用。如图:

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    左边的图中是单独一个原子存在是的状态,右边的图是两个原子碰撞时的原子状态。当碰撞结束后,原子仍然要恢复到原子的正常状态,这个恢复力是由原子中的原子核和电子结构间的作用形成,恢复到原子正常的作用状态。

    关于采用数学的语言进行描述,目前仍有很大的困难。主要是如下两方面:

    (1)原子核和电子之间在原子的范围内表现为排斥力,但是在大于原子的尺度上,原子核和电子则表现为吸引力。形成这种作用的原因和在不同的原子空间距离中,其作用的角度所形成的作用力方向的差异还是一个不能确定的问题。

    (2)原子核和电子之间的作用力不遵守库仑定律,那么电子之间的作用力是不是也不遵守库仑定律,目前不能对这个问题进行确定,同时也不能确定其作用差异的量级。

     但不论如上两个问题如何,在相互作用的总量上,原子核和电子、电子和电子之间,一定会遵守平方反比定律。这一点是由关于作用的两点哲学观念的假设决定的。目前在客观事实上,不能找到解决如上两个问题方面的依据。从精确的定量原子结构间精确的力学作用来看,定量电子在原子中的精确存在状态还存在一定的困难。

 

四、透光材料的原子核和核外电子的关系

    在前面的文章中(电磁理论与原子论——电磁波、空间与物质——物质温度和辐射的关系(下)——物体的辐射)中,已经将电磁波的产生和吸收归到电荷的变速运动中。那么我们来看一下电磁波和物质原子结构特点的两个关系。

   在考察原子、分子中电子的结构力学属性特点时,有如下的两个特点:

1、如果物质中原子、分子包含对电子束缚力较弱的电子,并且在原子或者分子中存在可以自由移动的电子,那么这种物质一定是对光的强吸收材料。

2、如果物质中的原子、分子对物物质中所有的电子,束缚力都很强,并且,电子在原子或者分子中不能自由移动,那么这种物质材料一定是透明材料。

 

2001.6.13


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