中子——电子极近核的“氢原子”.doc

中子电子近核的“氢原子”（上海市 上海宝山中学 严正岗）内容提要：从质电统一理论的基本粒子的结构和电子对能湮灭的基本事实出发，推出质电统一理论的基本粒子运动理论。由此揭示了微观粒子波粒二像性的本质和泡利原理存在的原因。对微观粒子波粒二像性的分析后明确指出，粒子在空间的出现，完全是由它所处的能态和快子的出现的概率来决定。用这个结论我们研究中子后得到，中子是电子近核的“氢原子”。关键词：电子对湮灭 基本粒子运动理论 波粒二像性的本质 泡利原理存在的原因 静止粒子云一 引言 自从剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家查德威克于1932年发现中子以来，中子的研究一直没有停顿。目前为止中子被认为是一种电中性的粒子，具有与质子大约相同的质量。中子属于重子类，由两个底夸克和一个顶夸克构成。 绝大多数的原子核都由中子和质子组成。在原子核外，中子性质不稳定，半衰期为15分钟。中子衰变时释放一个电子和一个反中微子而成为质子。同样的衰变过程在一些原子核中也存在。原子核中的中子和质子可以通过吸收和释放介子互相转换。这是目前人们所了解的所谓的中子的基本概念。其实中子和质子及电子都是比较简单的粒子，内部的结构并非由底夸克和顶夸克构成。由质电统一理论1，质子和电子都有简单的结构：它们都是高速旋转的，由于高速旋转它们的结构分为内层和外层。内层是质量，外层是电量，电荷分布在球体的rsinc/范围内，而质量分布在rsinc/的范围内，它们电量部分 质量部分图一是不参合的（如图一所示）。是粒子旋转的角速度，它的旋转方向表示的电荷的正负。那么中子是什么？如果把中子看成是一个简单体的话，由于中子不带电，很难用质电统一理论的方法去研究。但中子有磁矩，那么中子一定有内在结构，其结构是什么？当我们用质电统一理论去研究氢原子时，发现了一些物理新问题，其中包括波粒二像性问题、中子问题（就是电子近核的氢原子）、泡利原理（是电子同能态的反相轨道的运动）、核力问题（我认为就是电磁力）、铁元素为什么是最低能的原因（还没有证明，数学要求太高）及正反电子湮灭理论等等。下面我们来阐述前三个问题。二质电统一理论的运动论有的时候要说清物理本质内涵，就必须指明新理论对运动理论的客观理解，从这个角度来讲，质电统一理论也有了自己的运动理论。质电统一理论的运动理论来源于电子和质子的结构，以及电子对能湮灭的基本事实。我们知道，牛顿的运动定律是将物质的运动看成是不变的粒子机械地在空间的位置改变，而量子理论则认为运动物质在空间出现是由一个叫波函数表示的概率来决定的，在我们看来这两者都是错误的。根据该理论，正反粒子仅仅是旋转方向的差异，当正反粒子相遇湮灭时，旋转方向的差异消失了（是抵消了），而留下的是不能抵消的质量和电量，前者化为了以光速运动的电磁波（能量，它满足爱因斯坦的质能关系），后者化为了超光速运动的虚质量（快子）。我们认为宇宙中大量地存在着各种超光速的快子，它们的速度极其快，很容易得遨游宇宙一周回到原来的相近位置。以电子为例，电子湮灭时产生的快子的速度达1030m/s，而且可证明2快子在宇宙中的运动是能返回的（并非空间的弯曲效应），因此各类快子在宇宙中的丰度是极高的。电子能湮灭的事实给我们一个启示，单个的基本粒子也可能是很不稳定的，因为存在着极高的快子在宇宙中的丰度，使得基本粒子的消失和产生可能是频繁发生的。所谓的基本粒子的运动正是在这个基础上是产生的。我们没能了解的可能事实是，基本粒子频繁地产生和消失，实际上是快子频繁地和电磁场（能量）相遇和相遇后的结果。当快子遇到了能量（即电磁波）就将无形的“快子”和无形的电磁波转换为有形的基本粒子，能量转换为质量，快子转换为电荷，这就是基本粒子的产生。基本粒子其实是极不稳定的，它很快就还原。还原的电磁波能量，很快就和另一个快子结合产生新的同样的基本粒子，这一过程中位置发生了改变，这便是基本粒子的运动。显然该运动具有电磁波的特性和快子的“性能”快子在宇宙中的丰度，它是决定论的。那么基本粒子的运动为何不象电磁波或快子运动得那么快呢？其实基本粒子的运动是要区分基本粒子产生前的状况（我称之为前基本粒子）和已经变成基本粒子的状况（我称之为现基本粒子）。前基本粒子的运动实质是电磁场的运动。这个运动和外力没有关系。当前基本粒子有初速度时，那就是电磁场的波阵面有所改变，它可以用现基本粒子的狭义相对论效应的非静电场来描述。当能量强的波阵面上遇到快子就显现为基本粒子。由于这个时间极短，基本粒子基本没有什么位移，何况下个轮次快子在波阵面的另一个地方出现，可以部分抵消这个位移。这个频繁的基本粒子的出现，就是所谓的粒子云。而现基本粒子的运动，就是我们能观察到的运动。从这里我们看到：1、基本粒子的运动不会象电磁波或快子运动得那么快，它完全取决于基本粒子的初速度；2、新产生的粒子最可能是出现在有初速度影响的最强波阵面上，在该平面内的哪个位置上是取决于快子在宇宙中的丰度的一个概率值（可能是由热学中宇宙作为孤立体系内的快子的吉布斯分布决定的）。当外界加一个电场或磁场时，前基本粒子电磁场没有影响，现基本粒子受到力，就发生了附加的位移，这是基本粒子的加速过程。这里以电子的静止、匀速运动和加速运动为例。a 电子为何静止：当电子不受外力即没有外电场或磁场时，假设前电子的电磁波是球形的，位置在如图二的o点，虚线表示其波阵面。某一极短的时刻，恰巧快子就在球形波阵面的a点，那么现电子就出现在a点上。过一个更为短的时间，电子分解成快子和电磁波，快子跑得无影无踪，而a点上的电子就作为新的前电子也产生球形波阵面（如蓝的线），另一个快子如又恰巧在b处出现，则b处就出现了新的现电子，新电子又分解产生新的球形电磁波，在该波阵面的c点又产生现电子以此类推，这个极小的区域电子频繁地出现，出现的快慢和位置由快子的出现概率决定，这就是静止电子的电子云。这里必须指出现电子的电场和前电子的电磁波是精密相关的，也就是说现电子的米子形电场决定了前电子的球形波阵面。.b.a.o. c 图二 静止电子的电子云 图三 电子匀速运动的非静电场b电子的匀速运动的解释：现电子如果以v匀速运动，由狭义相对论效应，其产生的非静电场为 ，为电子的运动方向和观察点到电子的连线的夹角，而其电场为图三所示。 它和静电子的米子形静电场不一样。当现电子消失产生电磁波时，其波阵面和这个电场有关。当强的波阵面上的某点出现快子时，该处就产生了现电子，现电子的电场被还原。因为电场被还原，所以电子的运动也被还原，这就是能继续运动的本质。由于快子在波阵面的那个地方出现并不明确，所以电子的运动和静电子一样是电子云形式表现。需要指出的是电子并不是匀速运动的，因为有段时间电子是以前电子的形式出现，也就是以电磁波形式出现的时间内，没有现电子的位移，所以电子的运动速度图是间断的矩形图。c电子有加速度的运动：假设电子在匀强电场中，正处在前电子的时候，由于场的独立性原理，静电场不会对电磁波有影响，所以静电场对前电子无作用力，它们没有关系。当电子处在现电子时刻，场才会对它有力的作用，它才能被真正的加速或减速以上的分析和说明使我们认识到，量子力学波函数所描述的基本粒子在空间出现的几率，并非是上帝在玩的精妙游戏，而实际上是电磁波的运动和快子在宇宙中丰度的一个概率值的综合结果。基本粒子的波粒二像性正是这种综合结果的真实反映。一个基本粒子对应于一个单位的电磁波的能量（是不能分割的），这和一个光子一样，在空间本身是就是波粒二像性的，所以当它和快子结合时产生的基本粒子具有波粒二像性是并不为奇的。不过它和纯的光的波粒二像性是有一定的区别的。我们可以想象一个实验，比如用电子湮灭时产生的光子来做光的波粒二像性实验，应该和电子在同样环境下，电子的波粒二像性实验是有区别的，可能是明暗条文的位置和宽度都有区别，这个区别应该是有快子在宇宙中丰度的一个概率值决定的。假如我们能在理论上得到快子的概率并能和电磁理论结合，那我们就能计算出这一差别，如果和实验的结果是一致的，那就证明了本理论是正确的。这里我们提供了一个实验的可能性。另外泡利原理原来是说每个轨道(例如1s轨道，2p轨道中的px)最多只能容纳两个自旋相反（从同一空间看）的电子，这个自旋相反和质电统一理论的不是一个事，它实际上是同种电子（自旋方向始终是一样的如负电子）方位方向相反（不从同一空间看问题，用右手螺旋法则看）而已。那么为什么只有两个电子呢？道理很简单，电子的自旋产生的磁场相当于两块小磁铁，而同极是不能平行的（是要相互排斥的），所以不能有两个转轴方位方向相同的电子。三 中子电子近核的“氢原子”从质电统一理论的运动理论来看，粒子的基本运动取决于电磁波能量和快子的概率，这当然也适宜原子的研究。原子核外的电子的运动，应该也取决于电磁波能量和快子。作为一个例子，为简单其间下面我们只研究只有单个质子的氢原子。假设原子核是静止的，不含质子本征能量的系统总能量为 m为电子的动质量，后项为系统的电势能。那么电子在核外出现的概率和式（1）有关。而快子在原子出现的概率由两项决定，一项是外项即宇宙项B1（由原子的万有引力环境决定），另一项是内项即原子项B2（有库仑力决定）。为什么可以这样认为呢？虽然快子在宇宙各个地方的丰度比值不能了解，但从目前的原子理论来看，电子在受力大的地方电子本身出现的概率大是公认的事实，也即快子在电子受力大的地方容易出现。但快子出现的概率大不一定是电子出现的概率大。由电磁波能量和快子结合成电子的真正情况取应决于这两项的综合。综上所述，电子在原子出现的概率为考虑B1到很小（只在电子自由运动中用到）可忽略，而，所以可以证明当距离小时总能量E也小，而力大，并非大或小，因此有极值，这一极值既是原子物理所说的定态。下面，我们来研究质电统一理论的原子定态。现有相对论的质量关系、速度关系及角动量守恒方程分别如下：另有动量守恒定理以上几式字母上带点表示对时间求导，有0下标的表示单位矢。上式的经向关系为将式（2）对r求导，有令上式为零，并且和式（3）、式（4）、式（5）、式（6）联立，可得这就是氢原子的核外电子在某时某地出现概率大所满足的条件。从这里我们看到，式（7）是r对t的二次常微分方程，因为有两个积分常数和角动量量子化条件，故氢原子的核外电子的轨道是很复杂的。如果我们不考虑原子的精细结构，只研究类似于波尔的氢原子，即将氢原子的核外电子的轨道看成是圆轨道，那么，式（7）的方程可写为解此式的r，可得有相对论效应的波尔氢原子轨道方程，其为而能量方程为3如果将中子看成是电子极近核的“氢原子”，那么我们就可以算出中子的半径，这只要将中子磁矩中剥离出轨道磁矩代到经典的电磁理论的磁矩公式即可。按将中子看成是电子极近核的“氢原子”的模型，我们忽略电子自旋磁矩，那么中子的磁矩可看成是质子磁矩和轨道磁矩的合成。由于中子的磁矩的绝对值（测量值）小于质子磁矩，所以质子磁矩和轨道磁矩的夹角大于900度，如果将它们看成是反向的（这里不研究量子效应），则电子极近核的轨道磁矩为-2.376610-26J/t 。将这一数据和附录3的有关公式代入下式可得角动量=4.1614210-37，将其再代入式（8）可得r=6.707110-17m。因为将中子的磁矩和质子磁矩看成是完全反向的，轨道磁矩实际是取了最大值，角动量也是取了最大值，因而轨道半径r应该小于这一值。这就是中子的半径，它比原子核小两个数量级。1 质电统一理论是本人用35年时间思考研究后未完全完成的理论,它不主张广义相对论和量子理论的概率解释。未完成的部分只是量子实验现象的质电统一理论解释(可以解释但数学难度高要化大量时间)。2 见宇宙边缘物体的运动行为，很快将在网上发布3 其实式（8）和式（9）是经典理论的相对论效应，可用简单方法求得。因为氢原子的核外电子是圆轨道，所以，这三式和式（3）联立，可解得 ，将后两式代入式（1）可得。