對氫原子光譜、介子的量子化探究

重慶市長壽第一中學校 重慶 401220

0 引言

氫原子光譜是氫原子內的電子在不同能階躍遷時所發射或吸收不同波長和能量的光子而獲得的光譜。在系列科學家如埃斯特朗、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律，促進了量子電動力學的發展，并廣泛運用于當代的磁共振醫學技術中。

在氫光譜巴耳末系中可見光區有四條譜線，對應的波長分別為6562.8?，4861.3?，4340.5?和4101.7?。

1 原有的氫光譜理論

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

取無窮遠處為電勢能零點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rmv=nh/(2π)，又由電子德布羅意波長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，電子公轉頻率f′=1/(2πr1/v1)=v1/(2πr1)，電子物質波頻率f=nv/(2πr)=v1/(2πr1)=f′。

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

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

2.2 介子 我們虛構一個介子，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環繞氫原子，我們可以用它來代替r處的電子。

2.2.1 兩種方法

(1)電子動能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)，又根據假設有E′=XE，綜合解得

X=hc/(πke2)

2.2.2 渝中數

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。

代入數據解得X=274.071999。

2.2.3 介子質量

綜上得出m介=Xme/2=137.036me(me是電子的靜止質量)。

3 氫原子光譜精細化探究

3.1 科學假設

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

(2)對于原子光譜，本文認為核子、正負電子、光子都由夸克(±e/3、±2e/3)組成，前兩種粒子由3個夸克組成，后一種粒子由2個或3個夸克組成。原子中的電子(夸克組團)繞核運動時v＜＜c，u→c，電子(夸克組團)靜質量幾乎為零，但存在動質量。當電子自旋u消失后并中性化形成光子。

3.2 電子云 基于上面的科學假設，結合前面氫原子物質波所給示例，可以做出氫原子的電子云精細圖：

3.3 精細化的氫光譜 由玻爾氫原子理論中的⑥⑧兩個公式，即

v=2πke2/(nh)，E=-2π2k2me4/(n2h2)。

本文設量子數n＜n′，氫原子電子吸收光子hc/λ后從n軌道躍遷到n′軌道。

綜上代入數據解得：λ=0.65611228×10-6m=6561.1228?。與對應的波長6562.8?相當吻合。Δλ=-1.6772?。

(3)原有的標準理論

本文考慮相對論效應和雙星效應現象。

代入數據解得λ=6564.78001?。與對應的波長6562.8?間的誤差反而放大。Δλ=1.98001?。

上述論證表明相對論不嚴格成立，要么進行修正，要么用新的物理理論來代替。更嚴格的全新理論分析的驗證工作暫時被省略，以后進行專門的論證工作。

4 對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)，又根據假設有E′=XE，綜合解得

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

m介=Xme/2=137.036me(me是電子的靜止質量)。而137.036又稱為精細結構常數。在實驗室中沒有發現137me的介子，發現有質量為：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：

設定某原子核存在Z個質子，則對核外做圓周運動的電子有

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)，又根據假設有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 對元素周期表的封頂號的猜測

作者從構建的核力模型中做出元素的封頂號是170，核外有9層電子，從內到外的電子數依次是2、8、18、32、50、32、18、8、2。基于上面的推導，本文推測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，元素的封頂號為292號，核外有11層電子，相對原子量達到約600，從內到外的電子數依次為2、8、18、32、50、72、50、32、18、8、2，且原子的內部層電子永遠無法跑出原子自身，這源于它擁有強大的庫侖引力作用。

6 結語

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

2020-2-26-15：20