核外電子運動的本質(zhì)

核外電子運動的本質(zhì)內(nèi)容摘要：帶正電的原子核作不停地旋轉(zhuǎn)，那么原子核不僅會產(chǎn)生電場，同時還會產(chǎn)生磁場，核外電子在原子核產(chǎn)生的電場和磁場中繞核作高速運動，必然會受到原子核對它們的靜電引力和洛侖茲力的共同作用，靜電引力必然向內(nèi)，那么洛侖茲力就必然要向外，只有這樣才能保證電子不被原子核捕獲。當(dāng)原子核的磁極固定后，由于洛侖茲力的方向必須向外，所以核外電子的運動方向就基本固定了。在同一原子中，所有電子都基本朝著一個方向運動。在同一主層中，s軌道垂直切割磁力線運動，其它軌道都與磁力線不垂直，并隨著各亞層能量的增加與磁力線之間的夾角越來越小。核外電子為了盡可能斥力最小，它們必然盡可能相距最遠(yuǎn)，所以同一軌道中的兩個電子必然處在原子核的兩邊。為了保持電子之間距離盡可能最遠(yuǎn)的狀態(tài)，在同一主層中，甚至同一原子中所有電子的平均運動角速度都相同。由于電子處在原子核產(chǎn)生的磁場中，所以同一原子中，所有電子的自旋方向都基本相同。關(guān)鍵詞：原子、電子、原子核、電場、磁場、洛侖茲力、軌道、運動、自旋方向。任何一種理論都有個逐步完善的過程，原子理論也是如此，它由湯姆遜的“西瓜模型”到長崗半太郎的行行模型，由盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型到玻爾的圓形軌道，再由索未菲的橢圓軌道發(fā)展到現(xiàn)在的原子理論。那么現(xiàn)在的原子理論是不是完美無缺了？不是，因為現(xiàn)在的原子理論仍有許多現(xiàn)象無法解釋，比方說，電子為什么不會被原子核捕獲？同一主層中，各亞層上的電子為什么能量相差很大？各亞層的軌道數(shù)為什么各不相同？為什么內(nèi)層的一些電子也可以成鍵？所有這些問題的存在說明，現(xiàn)在的原子理論并不完善，還有待于我們繼續(xù)探討研究，今天我就上述問題斗膽提出一點自己的看法，以請教于大家。一、疑問的產(chǎn)生在原子中，原子核帶正電，電子帶負(fù)電，電子為何不會被原子核捕獲？現(xiàn)在的各種觀點都無法解釋陰極射線產(chǎn)生的高速電子射在陽極上并不會出現(xiàn)電子進(jìn)入原子核的現(xiàn)象，因為這些電子并不作圓周運動，有些甚至是直向原子核射去，這個現(xiàn)象說明，電子在靠近原子核時存在著一種我們尚未發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)大斥力，這就是引起我對現(xiàn)在原子理論感到不足的原因。核外電子到底是像現(xiàn)在說的無規(guī)則繞核運動，還是有規(guī)則地繞核運動，我想用晏成和的一段話說明這個問題。幾十年來教科書上寫到：“物質(zhì)在受熱時原子核在作無規(guī)則的振動”；“核外電子總是在繞核作無規(guī)則的高速旋轉(zhuǎn)形成電子云”。于是這些“無規(guī)則”就成了人類在剛剛探索到原子、電子時就定下了微觀物質(zhì)（原子核和核外電子）的運動的基調(diào)。但是,我們在宏觀上面對的正是一個極有規(guī)則、極其精確的物質(zhì)世界：大部分物質(zhì)都有其固定的熔點、沸點；相同的材料其強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性能驚人的一致；晶體有規(guī)則雷同的結(jié)構(gòu)；石英晶體有非常準(zhǔn)確的振蕩頻率。物質(zhì)的特性是規(guī)律、精密、準(zhǔn)確的。由于有了以上無規(guī)則的基調(diào)，于是物質(zhì)科學(xué)就形成了這么個怪圈：有規(guī)則的現(xiàn)象要用無規(guī)則的運動來作解釋；用無規(guī)則的微觀運動去推導(dǎo)出有規(guī)則變化的動因。嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)竟要在無中生有中做文章，這樣的科研無異于緣木求魚。規(guī)律必然源于且服從更深層的規(guī)律，物質(zhì)世界中普遍的極具規(guī)律的現(xiàn)象不會是空穴來風(fēng)，有規(guī)律的現(xiàn)象必源于且服從更基礎(chǔ)的有規(guī)律的運動。我們完全有理由相信自然的物質(zhì)運動（核外電子的運動）也必然會遵循自然的法則的，必定是極具規(guī)律的。（參考文獻(xiàn)1）以上是晏成和《物理新視點》中的一段話，這段話一針見血地說明了核外電子必然是有規(guī)律運動的，晏成和用大量的事實證明了核外電子是有規(guī)律運動的，否定了核外電子無規(guī)則運動的錯誤觀點，本文正是描述了核外電子是如何有規(guī)律運動的，還核外電子運動的本來面目。也許有人會說海森堡的測不準(zhǔn)原理已被人們公認(rèn)，電子運動軌跡是不可能準(zhǔn)確描述的，那我們先了解一下海森堡的測不準(zhǔn)原理。關(guān)于電子在核外的運動狀態(tài)和位置，德國物理學(xué)家維爾納·海森堡在１９２７年斷言說，這是不可能做到的。一個測量器件只能小到這種程度：它可以小到同一個亞原子粒子一樣小，但卻不能小于亞原子粒子。它所使用的能量可以小到等于一個能量子，但再小就不行了。然而，只要有一個粒子和一個能量子就已經(jīng)足以帶來一定的變化了。即使你只不過為了看到某種東西而瞧它，你也得靠從這個物體上彈回來的光子才能看到它，而這就已經(jīng)使它發(fā)生變化了。（參考文獻(xiàn)2）海森堡說的一點也不錯，電子在核外的準(zhǔn)確位置是用任何精密的儀器也測量不準(zhǔn)的，但是我們不能因為測量不準(zhǔn)就說電子作無規(guī)則的運動，我們無法看到它如何運動，不等于我們無法認(rèn)識它如何運動，更不能胡亂猜測。雖然測不準(zhǔn)，但我們完全可以根據(jù)電子的特性和有關(guān)的電磁知識推出它們是如何運動的。二、電子所受的力我們要想知道電子所受的力，首先必須搞清原子中存在的場。由于原子核具有一定的質(zhì)量，帶有一定的電量，又在作不停的旋轉(zhuǎn)，所以在原子中由原子核產(chǎn)生的場就有重力場，電場和磁場。又因電子具有一定的質(zhì)量，帶有一定的電量，還在不停地繞核運動，所以原子核對電子的作用力就有萬有引力、靜電引力和洛侖茲力。由于萬有引力很小，可以忽略，靜電引力是向內(nèi)的，那么洛侖茲力就應(yīng)該是向外的，否則電子就會被原子核捕獲，如圖１。另外，電子還受著電子之間的相互斥力和電子繞核運動產(chǎn)生的離心力，電子之間的相互斥力有的向內(nèi)，有的向外，這不可能是電子無法被原子核捕獲的原因。離心力雖然向外，因為電子的質(zhì)量很小，它不可能很大，更因它不能解釋陰極射線不能被陽極上原子核捕獲的現(xiàn)象，所以離心力絕不是向外的主要力，也許你認(rèn)為原子核產(chǎn)生的磁場很弱，如果原子核產(chǎn)生的磁場很弱，電子在發(fā)生能級跳遷時怎么會產(chǎn)生電磁波，由此可以看出，電子所受的向外的主要作用力一定是洛侖茲力。三、電子受的向外的主要作用力是洛侖茲力的證據(jù)核外電子受的向外的主要作用力是洛侖茲力的觀點是否正確，那就要看它是否與事實相符。１、電子不能被原子核捕獲的原因電子為什么不能被原子核捕獲，這是因為原子核具有很強(qiáng)的磁場，電子在磁場中運動必然會受到洛侖茲力的作用，洛侖茲力的方向因總是與電荷的運動方向垂直，如果有一個電子在繞核運動時產(chǎn)生的洛侖茲力是向內(nèi)的，如圖2中的第一個圖，那么這個電子在洛侖茲力和核對它的靜電引力的共同作用下必然會向內(nèi)運動，當(dāng)電子在向內(nèi)運動時，洛侖茲力的方向已發(fā)生了改變，洛侖茲力方向的改變又導(dǎo)致了電子運動方向的改變，直至洛侖茲力的方向向外為止，這時向外的洛侖茲力和向內(nèi)的靜電引力達(dá)到平衡，電子的運動方向就不再發(fā)生改變，因此，不論電子開始是朝原子的哪個方向運動，最終電子的運動方向都會變成洛侖茲力向外的方式，如圖2中的第二個圖和第三個圖。又因洛侖茲力的大小與電荷的運動速度成正比，（F洛＝B·q·V·sinа)，即電子的運動速度越高，電子所受的洛侖茲力越大，電子的運動方向改變的越快，所以不論陰極射線產(chǎn)生的電子速度有多大，原子核對它產(chǎn)生的洛侖茲力都會將它的方向改變，直至洛侖茲力的方向向外，這就是電子不能被原子核捕獲的原因，也是電子受的向外的主要作用力是洛侖茲力的證據(jù)。２、主層能量的變化原因如果承認(rèn)了電子受的向外的主要作用力是洛侖茲力，那么各主層能量變化的原因就不言而喻了，因為當(dāng)一個電子在某軌道上運動時，如果它的能量增加了，運動速度將加快，洛侖茲力必然增大（F洛＝B·q·V·sinа)，電子會被推到離核較遠(yuǎn)的地方。相反，當(dāng)一個電子失去一定的能量后，運動速度變慢，洛侖茲力也隨之減小，電子會被核對它的靜電引力拉到離核較近的地方。所以有電子離核越遠(yuǎn)能量越高，離核越近能量越遞的現(xiàn)象，這與主層能量變化的規(guī)律是完全相符的，由此說明電子受的向外的主要作用力是洛侖茲力的觀點是正確的。３、各亞層能量變化的原因由于同一主層中各亞層上的電子離原子核之間的距離幾乎相等，即核對電子的靜電引力幾乎相等，所以電子受的向外的洛侖茲力必然也要相近。又從洛侖茲力的公式（F洛＝B·q·V·sinа)中看出，在Ｂ和ｑ不變的情況下，要獲得相同的F洛，必須在ｖ和а之間作相應(yīng)的改變。在同一主層中，各亞層上的軌道與磁力線之間的夾角是各不相同的，如圖3所示，ｓ軌道是垂直切割磁力線的，sinа的值最大，ｓ電子所需的速度最小，即能量最低。p、d、f軌道與磁力線之間的夾角在原子的“赤道”（ｓ軌道可看作原子的赤道）上離90°依次越來越遠(yuǎn)，sinа的值越來越小,電子必須用增大運動速度的方式來保證洛侖茲力的不變，電子的能量自然是越來越高。這又正好解釋了各亞層能量變化的順序，所以說電子受的向外的主要作用力是洛侖茲力的觀點是完全正確的。４、決定各亞層軌道數(shù)多少的原因為什么各亞層的軌道數(shù)按ｓ、ｐ、ｄ、ｆ的順序分別是1、3、5、7，這是因為ｓ軌道與原子核的磁力線是垂直的，不可能有第二條出現(xiàn)，如圖3。而ｐ、ｄ、ｆ軌道與磁力線不再垂直，并且依次離90°越來越遠(yuǎn)，它們擁有的空間也越來越大，能容納的軌道數(shù)自然越來越多，所以分別是３條、５條、７條。如圖3是ｓ、ｐ、ｄ、ｆ軌道在原子中的伸展方向，圖4是ｐ軌道的分布。這個現(xiàn)象也可以說明電子受的向外的主要作用力是洛侖茲力的觀點是正確的。各亞層的軌道數(shù)為什么是1、3、5、7，不出現(xiàn)2、4、6、8。如果是偶數(shù)，在一個軌道的對面必然會存在另一個軌道，當(dāng)電子運動到中間是就會相遇，不利于穩(wěn)定，為了實現(xiàn)和諧穩(wěn)定的運動方式，各亞層的軌道數(shù)只能是單數(shù)。５、電子成鍵的規(guī)律同一主層中所有電子離原子核的距離相近，這指的是在原子的赤道上，我們知道，有些元素與其它元素形成化學(xué)鍵時，不僅倒數(shù)第二層的ｄ電子可以成鍵，倒數(shù)第三層的ｆ電子也可以成鍵，如U的價電子層結(jié)構(gòu)5f36d17s2，（參考文獻(xiàn)3）。電子成鍵必須是軌道重疊，內(nèi)層電子能成鍵，說明內(nèi)層電子并不是總在內(nèi)層，一定是伸展到了外層。事實正是這樣，當(dāng)電子的運動方向在原子的赤道上與磁力線垂直時，從圖3中可以看出，這時的軌道自然是個圓。當(dāng)電子的運動方向在原子的赤道上與磁力線之間的夾角不再垂直時，電子在運動過程中運動方向與磁力線之間的夾角以及遇到的磁場強(qiáng)度都會不斷地變化，并且電子的運動方向在赤道離90°越遠(yuǎn)時，電子在兩極上遇到的磁場越強(qiáng)，在兩極電子的運動方向與磁力線之間的夾角也越接近90°，這時電子的運動速度又快，電子在兩極上受到的洛侖茲力也就變大，電子必然被推得較遠(yuǎn)，所以ｓ軌道是圓形,ｐ、ｄ、ｆ軌道是橢圓形，并且橢圓的離心率依次越來越大，見圖3。其實電子在靠近兩極的地方因絡(luò)侖茲力的增大而離核變遠(yuǎn)，又因離核變遠(yuǎn)而靜電引力減小，靜電引力的減小又必然要求絡(luò)侖茲力也要減小。在磁場較強(qiáng)，電子的運動方向又與磁力線接近垂直的兩極上要減小絡(luò)侖茲力，電子只好離核更遠(yuǎn)。因此ｄ軌道和ｆ軌道橢圓的離心率很大，使得ｄ軌道在靠近兩極的地方和下一層ｓ電子與核之間的距離相近，ｆ軌道在靠近兩極的地方和下兩層ｓ電子與核之間的距離相近。所以才會有nｓ電子參加成鍵時,(n-1)ｄ電子和(n-2)ｆ電子也可以參加成鍵的現(xiàn)象，這個現(xiàn)象進(jìn)一步說明電子受的向外的主要作用力是洛侖茲力的觀點是正確的。上述事實證明，原子核不僅有很強(qiáng)的電場，同時具有很強(qiáng)的磁場，電子在繞核運動時不僅受著核對它較大的靜電引力的作用，同時還受著核對它較大的洛侖茲力的作用，并且洛侖茲力的方向一定是向外的。四、核外電子的運動規(guī)律１、電子的運動方向和運動速度從上面的論述已經(jīng)知道，電子受的絡(luò)侖茲力總是向外的，那么同一原子軌道中兩個電子的運動方向必須相同，并且同一原子中所有電子的運動方向也基本上是相同的，如圖3所示，任何一個電子的運動方向與s軌道上電子的運動方向之間的夾角不可能超過90°，也就是說同一原子中所有的電子絕不可能出現(xiàn)反向運動的情況，這樣就避免了電子之間的碰撞，為了使電子之間不發(fā)生碰撞和電子之間的距離最遠(yuǎn)，在同一軌道上兩個電子的運動方向不僅要相同，它們的運動速度也要相同，而且同一主層中所有電子運動的平均角速度也必須相同，甚至同一原子中所有電子運動的平均角速度也相同。２、電子的運動軌跡從以上的論述知道，ｓ電子是垂直切割磁力線運動的，它所受的洛侖茲力是不發(fā)生改變的，即ｓ電子離原子核的距離也是不發(fā)生改變的，所以ｓ軌道一定是圓形軌道，對ｐ、ｄ、ｆ電子來說，在靠近兩極的地方離原子核較遠(yuǎn)，所以ｐ、ｄ、ｆ軌道都是些橢圓軌道，并且橢圓的離心率按ｐ、ｄ、ｆ的順序依次增大。３、同一軌道中兩個電子的分布同一軌道只能容納兩個電子，這兩個電子應(yīng)怎樣分布，我想它們一定是以圖3的形式放在原子核的兩邊，這樣一是它們之間的距離最遠(yuǎn)，斥力最小，二是它們之間的斥力正好是核對它們引力的反方向，斥力很容易被抵消，甚至可以認(rèn)為這樣分布這兩個電子之間就不存在斥力，能量自然最低，這才是同一軌道只能容納兩個電子的真正原因。如果在同一軌道中有三個電子或更多，這些電子如論怎樣排布，它們之間的斥力是不可能消除的，即使正好達(dá)到了作用力的平衡狀態(tài)，那也是極不穩(wěn)定的，任何一個電子的作用力受到微小的改動，都會引起平衡的破壞，絕不會穩(wěn)定地存在，因此在同一軌道中只能容納兩個電子。也許你會說在同一軌道上只能容納兩個電子早有解釋，泡利不相容原理早就告訴我們了，什么是泡利不相容原理。泡利不相容原理規(guī)定：在任何一個原子的電子集體中，不能夠有兩個電子同時具有相同的運動狀態(tài)。（參考文獻(xiàn)3）。說明白一點，就是一個原子軌道最多只能容納兩個電子，并且自旋方向相反。（參考文獻(xiàn)4）泡利根據(jù)同一軌道只能容納兩個電子的現(xiàn)象得出這兩個電子的自旋方向一定相反的結(jié)論，可他并沒有說出這兩個電子自旋方向相反的原因，如果說不出原因那就有錯的可能。４、電子的自旋方向現(xiàn)在人們認(rèn)為在同一軌道中兩個電子的自旋方向是相反的，我認(rèn)為它們的自旋方向應(yīng)該是相同的，因為同一軌道的兩個電子分別處在原子核的兩邊，它們相距較遠(yuǎn)，又因電子的體積很小，電子自旋產(chǎn)生的磁場只能對離它很近的地方有較大影響，對較遠(yuǎn)的地方絕不可能有大的作用，如果一個電子自旋產(chǎn)生的磁場能影響到原子核另一邊電子的自旋，試想一下它的強(qiáng)度會有多大，它對離它較近的其它電子又會產(chǎn)生什么影響，所以說一個電