新原子模型及光速多變性

張文義，張苗麗，宋長慶

(1.河北省趙縣北王里鎮中學，河北 石家莊 051534；2.電子科技大學，四川 成都 611731)

1 引言

從古希臘到近20世紀，科學家一直堅信原子是一個單一的不可分割的實體。根據這個觀點，原子不能分離成其他任何東西，并且對它們在宇宙中的地位永久固定。現代原子理論中，上面概述的原子理論已經被完全拋棄了。相反，原子分裂及其組成部分已經或多或少地使大家充分識別和描述許多新的基本粒子。它也使公眾對原子外部部分結構有了大致了解，但對原子核或中心部分的構造的了解仍不夠完整[1]。

現有文獻采用的原子模型具有不穩定性，且無法很好地解釋物體彈性、原子組合、液體表面張力、及光的折射等問題，且均認為光速是常數。鑒于此，本文提出一種新原子模型，合理地彌補了舊原子模型的不足，得到了光速多變的結論，并給出了新原子模型下原子核對電子的引力、電子繞核線速度、以及電子繞核轉速。

2 研究方法

新舊原子模型如圖1所示，陰影部分表示電子運動軌跡的球面。舊原子模型中，核與電子的電場都是球面型，這個模型有缺陷，無法解釋現有的物體彈性、原子組合、液體表面張力、光的折射等問題。本文提出了新原子模型。新模型中，在原子這樣小尺度下，電子繞核運轉，會把正負電場全部收攏在核與電子之間，不外泄。即，僅在陰影所示的球面內存在電場。經過原子模型的改進，舊原子模型的缺陷得到了合理的彌補。

圖1 新舊原子模型圖

2.1 物體彈性問題

針對物體彈性問題，許多文獻展開了研究，包括了減振裝置等。動態減振器是一種非常有用的無源裝置，用于抑制窄帶振動。它本質上由一個質量體、一根彈簧和一個阻尼器組成，它們連接在一個受到振動干擾的主系統上。文獻[2]研究了最佳阻尼動態減振器的設計問題，并對現有的阻尼減振器模型進行了比較。

但現有研究均是基于舊原子模型的應用研究，但本文對舊原子模型的合理性提出質疑。舊原子模型中，當外力壓縮原子使半徑減小（線速與角速不變），引力應增大，此結論與物體彈性沖突。新原子模型中，引力不隨半徑變化而變化。平衡狀態下，離心力與引力相等；當外力壓縮原子使半徑減小時，電子運轉離心力增大，此時離心力大于引力，進而會推動電子遠離原子，進而維持半徑不變；反之，當存在外力使半徑增大時，引力大于離心力，會把電子拉近原子，進而維持半徑不變。新原子模型中的引力不變性，很好地解釋了物體的彈性，彌補了舊原子模型的缺陷。

2.2 原子組合問題

新原子模型中，原子以電子運轉的半徑為邊界，界外沒有電場，兩原子可靠近接觸。高速運轉的電子軌道形似鐵環，當兩原子外圍電子線速相等或相差不多時，環有空隙，電子可相互切向穿越對方電子層。線速相差越多，空隙越少，越難穿越。此外，原子外層電子數目也影響空隙多少，數目越多，空隙越少。兩原因共同作用，相互穿越難易程度相差懸殊，最難的甚至不能穿越。這也是化學元素相互化合難易的原因。

2.3 液體表面張力

此部分在彈性與組合基礎上，對液體表面張力進行解釋。純有機液體和液體混合物的表面張力是工藝過程中經常需要的許多重要特性之一，因為它在影響界面的質量和傳熱中起著重要作用。但現有研究均基于舊原子模型，此部分將從新原子模型角度對液體表面張力進行解釋。如圖2所示，當兩原子外層電子運行到圖示位置時，兩電子是斥力，這樣兩電子就把各自所屬原子的最外電子層相互拉到對方原子的次外層相接觸（使兩原子一部分重疊），各原子把自己相鄰原子依次推進對方，直到液體表面處處拉力平衡，液體成圓球形。

圖2 兩原子外層電子運行圖

2.4 光的折射

在原子組合基礎上，本部分針對光的折射定律展開分析。如圖3所示，當光子運動到原子附近時，原子到電子運動軌跡之間的區域為受力區域。在受力區，光子受力緩緩轉向，是一段弧，類似拋物線，而不是舊原子模型中的突然轉向。將此結論推廣到光的折射，光的折射軌跡應該是拋物線，而非在接觸表面直接轉向。

圖3 光子運動軌跡與光折射軌跡

2.5 舊原子模型的不穩定性

當外力壓縮原子使半徑減小時（電子線速度不變），庫倫引力與半徑減小的倍數的平方成正比，離心力與半經減小的倍數成正比，因此引力比離心力增大的多。由于引力大于離心力，這會迫使電子進一步靠近核，減小進一步減小原子半徑，如此循環，電子會落在核上，造成原子塌縮。反之，外力使半徑增大，電子會飛離核，造成原子塌縮。

當外力使電子線速增大（半徑不變），電子離心力與線速度增大的倍數的平方成正比，此時離心力大于引力，會迫使電子遠離核，進而增大原子半徑。當半徑增大時（此后線速不變），庫倫引力與半徑增大的倍數的平方成反比，離心力隨與半徑增大的倍數成反比，因此離心力比引力減小的快。由于離心力大于引力，迫使電子進一步遠離核，如此循環，電子會飛離核，造成原子塌縮。反之，電子線速度減小，會落在核上，造成原子坍塌。

因此，舊原子模型極不穩定，如果舊原子模型無誤，則宏觀物體亦應是不穩定體。但在現實中，不可避免地會受到外力干擾，結論與穩定的現實世界不相符，進而證偽了舊原子模型。

3 光速多變性推論

舊原子模型中，庫侖力分散的球面場；而在我們的新原子模型中，庫侖力集中施加在了作用力雙方。此部分，我們分別求出了新原子模型下原子核對電子的引力、電子繞核線速度、以及電子繞核轉速。

3.1 新原子模型下庫侖力

舊原子模型中，以原子半徑為10-10(米)計算庫侖力：

新原子模型中，假設原子半徑為10-10米，電子投影面積為10-14米，則新原子模型中的庫侖力與舊原子模型中的庫侖力的比值為：

反過來，假設電子半徑為10-10米，原子核的投影面積為10-14米，則有：

綜上，新、舊原子模型中的庫侖力的綜合比值為1.6 ×1017(倍)，進而可得新原子模型中的庫侖力為：

3.2 電子繞核線速度

3.3 電子繞核轉速

電子每秒繞核圈數（轉速）：

綜上所述，新原子模型下原子核對電子的引力為2.3 ×10-8牛頓，電子繞核線速度為米/秒、以及電子繞核轉速為。

4 結論

本文提出了一種新原子模型，得到了光速多變的結論，合理地解釋了物體彈性、原子組合、液體表面張力、及光折射等問題，并給出了新原子模型下原子核對電子的引力、電子繞核線速度、以及電子繞核轉速值。