對(duì)氫原子光譜、介子的量子化探究

重慶市長(zhǎng)壽第一中學(xué)校 重慶 401220

0 引言

氫原子光譜是氫原子內(nèi)的電子在不同能階躍遷時(shí)所發(fā)射或吸收不同波長(zhǎng)和能量的光子而獲得的光譜。在系列科學(xué)家如埃斯特朗、哈根斯、沃格耳、巴耳末、玻爾、蘭姆等的共同努力下，獲取了氫原子光譜規(guī)律，促進(jìn)了量子電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，并廣泛運(yùn)用于當(dāng)代的磁共振醫(yī)學(xué)技術(shù)中。

在氫光譜巴耳末系中可見光區(qū)有四條譜線，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為6562.8?，4861.3?，4340.5?和4101.7?。

1 原有的氫光譜理論

1.1 電子 電子圍繞質(zhì)子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)F=ke2/r2=mv2/r，Ek=mv2/2=ke2/(2r)。

取無(wú)窮遠(yuǎn)處為電勢(shì)能零點(diǎn)Ep=-ke2/r=-2Ek

氫原子能量E=Ek+Ep=-ke2/(2r)=-mv2/2=-Ek

1.2 光子 光子能量E=mc2=hν=h/T，c=λf，E=hc/λ。

1.3 玻爾氫原子理論 rmv=nh/(2π)①，ΔE=hν=hc/λ②，ke2/r2=mv2/r③。

由①③解得r=n2h2/(4π2mke2)=n2r1④，r1=h2/(4π2mke2)⑤

由①④解得v=2πke2/(nh)⑥

又E=Ek+Ep=-ke2/(2r)⑦由④⑦解得E=-2π2k2me4/(n2h2)=-E1/n2⑧，E1=-2π2k2me4/h2⑨。

2 物質(zhì)波

2.1 電子 λ=h/p=h/(mv)，v=λf，則f=v/λ=v/[h/(mv)]=mv2/h。Ek=mv2/2=hf/2。

由玻爾量子化假設(shè)rmv=nh/(2π)，又由電子德布羅意波長(zhǎng)λ=h/p=h/(mv)得

λ=2πr/n=v/f，有f=nv/(2πr)，而Ek=mv2/2=hf/2，則Ek=nhv/(4πr)。

∴氫原子能量E=-Ek=-nhv/(4πr)⑩

示例：

(1)n=1，λ1=2πr1/n=2πr1，電子公轉(zhuǎn)頻率f′=1/(2πr1/v1)=v1/(2πr1)，電子物質(zhì)波頻率f=nv/(2πr)=v1/(2πr1)=f′。

(2)n=2，λ2=2πr2/n=2π×4r1/2=4πr1，電子公轉(zhuǎn)頻率f′=1/(2πr2/v2)=v2/(2πr2)，電子物質(zhì)波頻率f=nv/(2πr)=2v2/(2πr2)=2f′。

(3)n=3，λ3=2πr3/n=2π×9r1/3=6πr1，電子公轉(zhuǎn)頻率f′=1/(2πr3/v3)=v3/(2πr3)，電子物質(zhì)波頻率f=nv/(2πr)=3v3/(2πr3)=3f′。

2.2 介子 我們虛構(gòu)一個(gè)介子，讓r處的氫原子能量與介子能量的1/X相等，且介子在r處為光速c環(huán)繞氫原子，我們可以用它來(lái)代替r處的電子。

2.2.1 兩種方法

(1)電子動(dòng)能Ek=mv2/2，而F=ke2/r2=mv2/r，則氫原子能量

E=-Ek=-mv2/2=-m介c2/X

由⑩式有E=-Ek=-mv2/2=-nhv/(4πr)，

而r處的介子動(dòng)能為m介c2=h/T=h/(2πr/c)=hc/(2πr)

綜上解得X=2c/(nv)

由⑥式v=2πke2/(nh)代入上式得

X=hc/(πke2)

(2)在氫原子中介子能量E′=-m介c2=-h/T=-h/(2πr/c)=-hc/(2πr)，而氫原子能量E=-Ek=-mv2/2=-ke2/(2r)，又根據(jù)假設(shè)有E′=XE，綜合解得

X=hc/(πke2)

2.2.2 渝中數(shù)

X=hc/(πke2)，h=6.62606896×10-34Js，c=2.99792458×108m/s，

π=3.1415926535897932，k=8.98755178799791×109Nm2/C2，e=1.60217648740×10-19C。

代入數(shù)據(jù)解得X=274.071999。

2.2.3 介子質(zhì)量

綜上得出m介=Xme/2=137.036me(me是電子的靜止質(zhì)量)。

3 氫原子光譜精細(xì)化探究

3.1 科學(xué)假設(shè)

(1)本文認(rèn)為所有原子的電子存在兩個(gè)速度：圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)的速度v和隨原子核一起轉(zhuǎn)動(dòng)的速度u，v⊥u，且滿足c2=v2+u2，如下圖所示。具體的理論分析暫時(shí)省略。

(2)對(duì)于原子光譜，本文認(rèn)為核子、正負(fù)電子、光子都由夸克(±e/3、±2e/3)組成，前兩種粒子由3個(gè)夸克組成，后一種粒子由2個(gè)或3個(gè)夸克組成。原子中的電子(夸克組團(tuán))繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)v＜＜c，u→c，電子(夸克組團(tuán))靜質(zhì)量幾乎為零，但存在動(dòng)質(zhì)量。當(dāng)電子自旋u消失后并中性化形成光子。

3.2 電子云 基于上面的科學(xué)假設(shè)，結(jié)合前面氫原子物質(zhì)波所給示例，可以做出氫原子的電子云精細(xì)圖：

3.3 精細(xì)化的氫光譜 由玻爾氫原子理論中的⑥⑧兩個(gè)公式，即

v=2πke2/(nh)，E=-2π2k2me4/(n2h2)。

本文設(shè)量子數(shù)n＜n′，氫原子電子吸收光子hc/λ后從n軌道躍遷到n′軌道。

綜上代入數(shù)據(jù)解得：λ=0.65611228×10-6m=6561.1228?。與對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)6562.8?相當(dāng)吻合。Δλ=-1.6772?。

(3)原有的標(biāo)準(zhǔn)理論

本文考慮相對(duì)論效應(yīng)和雙星效應(yīng)現(xiàn)象。

代入數(shù)據(jù)解得λ=6564.78001?。與對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)6562.8?間的誤差反而放大。Δλ=1.98001?。

上述論證表明相對(duì)論不嚴(yán)格成立，要么進(jìn)行修正，要么用新的物理理論來(lái)代替。更嚴(yán)格的全新理論分析的驗(yàn)證工作暫時(shí)被省略，以后進(jìn)行專門的論證工作。

4 對(duì)介子是否存在的推斷

本文在氫原子中介子能量E′=-m介c2=-h/T=-h/(2πr/c)=-hc/(2πr)，而氫原子能量E=-Ek=-mv2/2=-ke2/(2r)，又根據(jù)假設(shè)有E′=XE，綜合解得

X=hc/(πke2)=2c/(nv)=274.071999，稱為渝中數(shù)。而v=2πke2/(nh)，

m介=Xme/2=137.036me(me是電子的靜止質(zhì)量)。而137.036又稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)137me的介子，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量為：273.3me的π+和π-介子、264.3 me的π0介子及206.6 me的μ介子。

本文推廣如下：

設(shè)定某原子核存在Z個(gè)質(zhì)子，則對(duì)核外做圓周運(yùn)動(dòng)的電子有

F=kZe2/r2=mv2/r，原子能量E=-Ek=-mv2/2=-kZe2/(2r)，而原子中介子能量E′=-m介c2=-h/T=-h/(2πr/c)=-hc/(2πr)，又根據(jù)假設(shè)有E′=XE，綜合解得

X=hc/(πkZe2)=274.071999/Z(Z=1、2、3┅)

綜上得知不同原子X值是不同的。因此宇宙中可能存在著更多的介子。

5 對(duì)元素周期表的封頂號(hào)的猜測(cè)

作者從構(gòu)建的核力模型中做出元素的封頂號(hào)是170，核外有9層電子，從內(nèi)到外的電子數(shù)依次是2、8、18、32、50、32、18、8、2。基于上面的推導(dǎo)，本文推測(cè)宇宙中存在著巨型原子，半徑約為氫原子半徑0.53?的8倍多，元素的封頂號(hào)為292號(hào)，核外有11層電子，相對(duì)原子量達(dá)到約600，從內(nèi)到外的電子數(shù)依次為2、8、18、32、50、72、50、32、18、8、2，且原子的內(nèi)部層電子永遠(yuǎn)無(wú)法跑出原子自身，這源于它擁有強(qiáng)大的庫(kù)侖引力作用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文開了一扇窗，試圖用全新的理論去有效整合相對(duì)論和量子理論，用更為科學(xué)真實(shí)的高端方法去大力度沖擊固有物理科學(xué)理論的禁錮，必將迎來(lái)新一輪的偉大的世界科學(xué)革命浪潮，極大地促進(jìn)人類文明的迅猛發(fā)展與飛躍進(jìn)步!

2020-2-26-15：20