物質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子模型

摘要:物質(zhì)是由電子組成，核力的本質(zhì)是電磁力。

關(guān)健詞:物質(zhì)、電子、核力、電磁力

關(guān)于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)問題，早在兩千多年前就有兩種不同的說法。一種是我國古代墨家學(xué)派的說法:“有一尺之棒，日取其半，萬世不碣?！奔粗鲝埼镔|(zhì)結(jié)構(gòu)的連速性，認(rèn)為物質(zhì)是可以無限分割的;另一種說法是古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出的微粒說，他認(rèn)為物質(zhì)是由一種不可分割的微粒構(gòu)成的，這種不可分割的微粒叫原子。這兩種說法一直繼承下來。到了十七世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)原子是一種用化學(xué)的方法不能再分割的微粒，于是微粒說得到普遍的承認(rèn)，認(rèn)為原子就是組成物質(zhì)的最小的不可再分割的微粒。

隨著科學(xué)的發(fā)展，人們又發(fā)現(xiàn)原子是由帶正電的原子核和核外電子組成，原子核又分為帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子。當(dāng)然人們不再承認(rèn)原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒，但又認(rèn)為原子核內(nèi)帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子與核外帶負(fù)電的電子是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒，并把它們叫做基本粒子。運(yùn)用這種觀點(diǎn)成功的解釋了各種核反應(yīng)規(guī)律。但還有一些現(xiàn)象不能解釋，如:β射線是怎樣產(chǎn)生的?因為核里并不存在電子。

對于基本粒子，到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的就有四百多種。在這些粒子中多數(shù)粒子是不穩(wěn)定的。它們在極短的時間內(nèi)發(fā)生衰變，轉(zhuǎn)變成其它粒子，只有少數(shù)幾種粒子是穩(wěn)定的，如:光子、質(zhì)子和電子。即使在自由狀態(tài)下很穩(wěn)定的質(zhì)子在原子核內(nèi)部已會發(fā)生衰變變?yōu)橹凶硬⒎懦稣娮?，同樣中子已會發(fā)生衰變變?yōu)橘|(zhì)子并放出電子。

粒子的種內(nèi)繁多，并能互相轉(zhuǎn)化。這說明各種粒子之間既存在著本質(zhì)的區(qū)別，同時又有著深刻的聯(lián)系，這就促使人們進(jìn)一步探索粒子的結(jié)構(gòu)和相互轉(zhuǎn)化的機(jī)理。大量實驗表明，多數(shù)粒子是有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。于是科學(xué)家們又對粒子的結(jié)構(gòu)問題提出了各種各樣的假說。其中比較成功的假說是強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型，我國叫層子模型。認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克組成的，每個夸克帶±1/3或±2/3的基本電荷，但是在實驗中還沒有發(fā)現(xiàn)單獨(dú)存在的夸克。為了解釋沒有發(fā)現(xiàn)夸克的原因，科學(xué)家們又提出了夸克的禁閉理論，認(rèn)為夸克被囚禁在強(qiáng)子里，不能單獨(dú)存在。

盡管科學(xué)家們對夸克模型進(jìn)行了補(bǔ)充，但是還有狠多問題不能解釋。首先是在實驗中一直沒有發(fā)現(xiàn)單獨(dú)存在的夸克，其次是每個強(qiáng)子都由夸克組成，而每個夸克都帶±1/3或±2/3的基本電荷，那么質(zhì)子應(yīng)當(dāng)由3個帶+1/3的基本電荷的夸克組成，這三個帶正電的夸克之間的靜電斥力比兩個核子之間的核力還要強(qiáng)得多，又是一種什么力把這三個夸克緊緊地拉在一起的呢?中子不帶電，但為什么有磁距呢?這些問題是夸克模型和禁閉理論都無法解釋的。為此必須建立一個新的模型、理論來解釋這一系列的問題。這個新的模型就是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“電子模型”?！半娮幽Ｐ汀钡木唧w理論有如下三點(diǎn):

1、各種粒子(包括夸克)都是由電子和正電子組成。

2、電子和正電子在各種粒子里以均勻的密度分布。

3、電子和正電子在各種粒子里沿一定的方向作相當(dāng)自由的運(yùn)動。

“電子模型”理論的建立，有以下實驗依據(jù):

1. 在原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的相互轉(zhuǎn)化過程中，質(zhì)子和中子能放出正電子和電子，這說明在質(zhì)子和中子中存在電子和正電子，即電子和正電子是質(zhì)子和中子的組成成分。

2. 人們用二百億電子伏特的高能粒子去轟擊質(zhì)子時，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的電荷并不是集中在一點(diǎn)，而是分布在各個地方。好象質(zhì)子是由幾種帶電微粒構(gòu)成的，并且這些帶電微粒能在質(zhì)子里作相當(dāng)自由的運(yùn)動，這些帶電微粒可能就是電子和正電子。

根據(jù)“電子模型”，核子是由電子和正電子構(gòu)成的，在質(zhì)子里面，正電子比電子多一個，因而對外顯一個單位的正電荷。當(dāng)它失去一個正電子后，它里面的電子和正電子數(shù)目相等，于是對外不顯電性，這樣質(zhì)子就轉(zhuǎn)化成了中子。同樣中子由數(shù)目相等的電子和正電子構(gòu)成，因此對外不顯電性。但由于它里面的電子和正電子沿一定的方向自由運(yùn)動，這就使得中子具有磁矩，這就是中子為什么不帶電而有磁距的原因。當(dāng)中子失去一個電子后，它里面的正電子比電子數(shù)多一個，因而對外顯一個單位的正電荷，這樣中子就轉(zhuǎn)化成了質(zhì)子，如果中子失去一個正電子，中子就轉(zhuǎn)化成了質(zhì)子?？梢姦律渚€產(chǎn)生的原因就是原子核內(nèi)中子放出電子的結(jié)果。

核子是由電子和正電子組成，實驗測得核子(質(zhì)子)的質(zhì)量是電子質(zhì)量的一千八百三十六倍，這就是說一個核子由一千八百三十六個電子組成。設(shè)核子的半徑為R，設(shè)電子的半徑為r，則:

4/3∏R3=1836×4/3∏r3 R=12.25r

實驗測得核子的半徑R=0.810-15m，則:r=6.5×10-17m。

實驗測得電子的半徑是10-19數(shù)量級，而由“電子模型”計算的是10-17數(shù)量級，這說明電子的實際半徑比它在核子里所占空間的半徑要大近100倍。因此，核子內(nèi)部是相當(dāng)空的，電子在核子里運(yùn)動比空氣分子在高空運(yùn)動還要自由。

通過以上的討論，我們已經(jīng)知道核子是由電子和正電子組成的，中子雖然對外不帶電，但卻有磁矩，β射線的實質(zhì)是原子核內(nèi)的核子放出電子的結(jié)果。現(xiàn)在我們繼續(xù)用“電子模型”來分析核力的大小與兩個核子之間的距離的關(guān)系。核力是相鄰兩個核子之間的相互作用力，它是一種很強(qiáng)的作用力，大約是電磁力的100倍，只存在于極短的距離內(nèi)，當(dāng)兩個核子的距離超過2×10-15M時，核力將迅速減小到零，核子的半徑是0.8×10-15M，因此核力只存在于相鄰的兩個核子之間。

核力到底是一種什么性質(zhì)的力呢?顯然不是電磁力，因為核子都是帶正電或不帶電，也不可能是萬有引力，因為萬有引力太小了。對于這個難解之謎，從“電子模型”的理論來尋求它的答案就比較簡單，根據(jù)“電子模型”，核子都是由電子和正電子組成，任何兩個相鄰的核子，由于同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，因此在它們相切的地方，總是一方是電子，另一方是正電子，這些電子與正電子的合力就是核力，核力的大小約等于一對作用力最大的引力和斥力的合力。如下圖所示:

O1O2是兩個相鄰核子的中心，P點(diǎn)是相鄰的兩個核子的切點(diǎn)，A和B是兩個核子相切處相互接觸的電子與正電子的中心，C是核子O1內(nèi)與電子A相切的正電子，D是電子A與正電子C的切點(diǎn)。所以A與B的作用力最大的引力，B與C是作用力最大的斥力，這對引力和斥力的合力就是核力。以電子的半徑為長度單位，則:

O1O2=2R=24.5 、 AB=AC=2、 AD=DC=1

O1A=O1C=R-r=12.25-1=11.25

COS∠O1AD=AD/O1A=1/11.25

BC2=AB2+AC2—2AB×AC× COS∠BAC

=22+22+2×2×2 COS∠O1AD

=8.71

BC=2.95

COS∠ABC=(AB2+BC2-AC2)/(2AB×BC)

=(22+8.71-22)/(2×2×2.95)

=0.74

F核1=FAB—FBC COS∠ABC

=ke2/AB2—ke2/BC2 COS∠ABC

=ke2/22—ke2/8.71×0.74

=1/6 ke2

此時兩個核子之間的電磁力

F電1= ke2/O1O22= ke2/24.52=1/600 ke2

F這說明當(dāng)兩個核子之互相接觸時，兩個核子之間的合力是電磁力的100倍。

當(dāng)兩個核子之間的距離增加到2×10-15m時:

O1O2=2×10-15/ r=2×10-15/(6.5×10-17)=30.5

AB=O1O2—(O1A+O2B)=30.5=(11.25+11.25)=8

BC2=AB2+AC2—2AB×AC× COS∠BAC

=82+22+2×8×2 COS∠O1AD

=70.85

BC=8.42

COS∠ABC=(AB2+BC2-AC2)/(2AB×BC)

=(82+70.85—22)/(2×8×8.42)

=0.97

F核2=FAB—FBC COS∠ABC

=ke2/AB2—ke2/BC2 COS∠ABC

=ke2/82—ke2/70.85×0.97

=1/517 ke2

F電2= ke2/O1O22= ke2/30.52=1/930 ke2

這說明當(dāng)兩個核子之間的距離增加到2×10-15m時合力迅速減小，與電磁力互相抵消后約等于零。這就是說核力的大小等于兩個相鄰的兩個核子之間的電磁力的合力，即核力的本質(zhì)就是電磁力。