物質結構的電子模型

摘要:物質是由電子組成，核力的本質是電磁力。

關健詞:物質、電子、核力、電磁力

關于物質的結構問題，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派的說法:“有一尺之棒，日取其半，萬世不碣。”即主張物質結構的連速性，認為物質是可以無限分割的;另一種說法是古希臘哲學家亞里士多德提出的微粒說，他認為物質是由一種不可分割的微粒構成的，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，人們發現原子是一種用化學的方法不能再分割的微粒，于是微粒說得到普遍的承認，認為原子就是組成物質的最小的不可再分割的微粒。

隨著科學的發展，人們又發現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子和不帶電的中子。當然人們不再承認原子是構成物質的最小微粒，但又認為原子核內帶正電的質子和不帶電的中子與核外帶負電的電子是構成物質的最小微粒，并把它們叫做基本粒子。運用這種觀點成功的解釋了各種核反應規律。但還有一些現象不能解釋，如:β射線是怎樣產生的?因為核里并不存在電子。

對于基本粒子，到目前為止，已經發現的就有四百多種。在這些粒子中多數粒子是不穩定的。它們在極短的時間內發生衰變，轉變成其它粒子，只有少數幾種粒子是穩定的，如:光子、質子和電子。即使在自由狀態下很穩定的質子在原子核內部已會發生衰變變為中子并放出正電子，同樣中子已會發生衰變變為質子并放出電子。

粒子的種內繁多，并能互相轉化。這說明各種粒子之間既存在著本質的區別，同時又有著深刻的聯系，這就促使人們進一步探索粒子的結構和相互轉化的機理。大量實驗表明，多數粒子是有其內部結構的。于是科學家們又對粒子的結構問題提出了各種各樣的假說。其中比較成功的假說是強子結構的夸克模型，我國叫層子模型。認為強子是由夸克組成的，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現單獨存在的夸克。為了解釋沒有發現夸克的原因，科學家們又提出了夸克的禁閉理論，認為夸克被囚禁在強子里，不能單獨存在。

盡管科學家們對夸克模型進行了補充，但是還有狠多問題不能解釋。首先是在實驗中一直沒有發現單獨存在的夸克，其次是每個強子都由夸克組成，而每個夸克都帶±1/3或±2/3的基本電荷，那么質子應當由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結構的“電子模型”。“電子模型”的具體理論有如下三點:

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自由的運動。

“電子模型”理論的建立，有以下實驗依據:

1. 在原子核內質子和中子的相互轉化過程中，質子和中子能放出正電子和電子，這說明在質子和中子中存在電子和正電子，即電子和正電子是質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子時，發現質子的電荷并不是集中在一點，而是分布在各個地方。好象質子是由幾種帶電微粒構成的，并且這些帶電微粒能在質子里作相當自由的運動，這些帶電微粒可能就是電子和正電子。

根據“電子模型”，核子是由電子和正電子構成的，在質子里面，正電子比電子多一個，因而對外顯一個單位的正電荷。當它失去一個正電子后，它里面的電子和正電子數目相等，于是對外不顯電性，這樣質子就轉化成了中子。同樣中子由數目相等的電子和正電子構成，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。當中子失去一個電子后，它里面的正電子比電子數多一個，因而對外顯一個單位的正電荷，這樣中子就轉化成了質子，如果中子失去一個正電子，中子就轉化成了質子。可見β射線產生的原因就是原子核內中子放出電子的結果。

核子是由電子和正電子組成，實驗測得核子(質子)的質量是電子質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。設核子的半徑為R，設電子的半徑為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數量級，而由“電子模型”計算的是10-17數量級，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，核子內部是相當空的，電子在核子里運動比空氣分子在高空運動還要自由。

通過以上的討論，我們已經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射線的實質是原子核內的核子放出電子的結果。現在我們繼續用“電子模型”來分析核力的大小與兩個核子之間的距離的關系。核力是相鄰兩個核子之間的相互作用力，它是一種很強的作用力，大約是電磁力的100倍，只存在于極短的距離內，當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“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點是相鄰的兩個核子的切點，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內與電子A相切的正電子，D是電子A與正電子C的切點。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，即核力的本質就是電磁力。