物质结构的电子模型

摘要:物质是由电子组成,核力的本质是电磁力。

关健词:物质、电子、核力、电磁力

关于物质的结构问题,早在两千多年前就有两种不同的说法。一种是我国古代墨家学派的说法:“有一尺之棒,日取其半,万世不碣。”即主张物质结构的连速性,认为物质是可以无限分割的;另一种说法是古希腊哲学家亚里士多德提出的微粒说,他认为物质是由一种不可分割的微粒构成的,这种不可分割的微粒叫原子。这两种说法一直继承下来。到了十七世纪,人们发现原子是一种用化学的方法不能再分割的微粒,于是微粒说得到普遍的承认,认为原子就是组成物质的最小的不可再分割的微粒。

随着科学的发展,人们又发现原子是由带正电的原子核和核外电子组成,原子核又分为带正电的质子和不带电的中子。当然人们不再承认原子是构成物质的最小微粒,但又认为原子核内带正电的质子和不带电的中子与核外带负电的电子是构成物质的最小微粒,并把它们叫做基本粒子。运用这种观点成功的解释了各种核反应规律。但还有一些现象不能解释,如:β射线是怎样产生的?因为核里并不存在电子。

对于基本粒子,到目前为止,已经发现的就有四百多种。在这些粒子中多数粒子是不稳定的。它们在极短的时间内发生衰变,转变成其它粒子,只有少数几种粒子是稳定的,如:光子、质子和电子。即使在自由状态下很稳定的质子在原子核内部已会发生衰变变为中子并放出正电子,同样中子已会发生衰变变为质子并放出电子。

粒子的种内繁多,并能互相转化。这说明各种粒子之间既存在着本质的区别,同时又有着深刻的联系,这就促使人们进一步探索粒子的结构和相互转化的机理。大量实验表明,多数粒子是有其内部结构的。于是科学家们又对粒子的结构问题提出了各种各样的假说。其中比较成功的假说是强子结构的夸克模型,我国叫层子模型。认为强子是由夸克组成的,每个夸克带±1/3或±2/3的基本电荷,但是在实验中还没有发现单独存在的夸克。为了解释没有发现夸克的原因,科学家们又提出了夸克的禁闭理论,认为夸克被囚禁在强子里,不能单独存在。

尽管科学家们对夸克模型进行了补充,但是还有狠多问题不能解释。首先是在实验中一直没有发现单独存在的夸克,其次是每个强子都由夸克组成,而每个夸克都带±1/3或±2/3的基本电荷,那么质子应当由3个带+1/3的基本电荷的夸克组成,这三个带正电的夸克之间的静电斥力比两个核子之间的核力还要强得多,又是一种什么力把这三个夸克紧紧地拉在一起的呢?中子不带电,但为什么有磁距呢?这些问题是夸克模型和禁闭理论都无法解释的。为此必须建立一个新的模型、理论来解释这一系列的问题。这个新的模型就是物质结构的“电子模型”。“电子模型”的具体理论有如下三点:

1、各种粒子(包括夸克)都是由电子和正电子组成。

2、电子和正电子在各种粒子里以均匀的密度分布。

3、电子和正电子在各种粒子里沿一定的方向作相当自由的运动。

“电子模型”理论的建立,有以下实验依据:

1. 在原子核内质子和中子的相互转化过程中,质子和中子能放出正电子和电子,这说明在质子和中子中存在电子和正电子,即电子和正电子是质子和中子的组成成分。

2. 人们用二百亿电子伏特的高能粒子去轰击质子时,发现质子的电荷并不是集中在一点,而是分布在各个地方。好象质子是由几种带电微粒构成的,并且这些带电微粒能在质子里作相当自由的运动,这些带电微粒可能就是电子和正电子。

根据“电子模型”,核子是由电子和正电子构成的,在质子里面,正电子比电子多一个,因而对外显一个单位的正电荷。当它失去一个正电子后,它里面的电子和正电子数目相等,于是对外不显电性,这样质子就转化成了中子。同样中子由数目相等的电子和正电子构成,因此对外不显电性。但由于它里面的电子和正电子沿一定的方向自由运动,这就使得中子具有磁矩,这就是中子为什么不带电而有磁距的原因。当中子失去一个电子后,它里面的正电子比电子数多一个,因而对外显一个单位的正电荷,这样中子就转化成了质子,如果中子失去一个正电子,中子就转化成了质子。可见β射线产生的原因就是原子核内中子放出电子的结果。

核子是由电子和正电子组成,实验测得核子(质子)的质量是电子质量的一千八百三十六倍,这就是说一个核子由一千八百三十六个电子组成。设核子的半径为R,设电子的半径为r,则:

4/3∏R3=1836×4/3∏r3 R=12.25r

实验测得核子的半径R=0.810-15m,则:r=6.5×10-17m。

实验测得电子的半径是10-19数量级,而由“电子模型”计算的是10-17数量级,这说明电子的实际半径比它在核子里所占空间的半径要大近100倍。因此,核子内部是相当空的,电子在核子里运动比空气分子在高空运动还要自由。

通过以上的讨论,我们已经知道核子是由电子和正电子组成的,中子虽然对外不带电,但却有磁矩,β射线的实质是原子核内的核子放出电子的结果。现在我们继续用“电子模型”来分析核力的大小与两个核子之间的距离的关系。核力是相邻两个核子之间的相互作用力,它是一种很强的作用力,大约是电磁力的100倍,只存在于极短的距离内,当两个核子的距离超过2×10-15M时,核力将迅速减小到零,核子的半径是0.8×10-15M,因此核力只存在于相邻的两个核子之间。

核力到底是一种什么性质的力呢?显然不是电磁力,因为核子都是带正电或不带电,也不可能是万有引力,因为万有引力太小了。对于这个难解之谜,从“电子模型”的理论来寻求它的答案就比较简单,根据“电子模型”,核子都是由电子和正电子组成,任何两个相邻的核子,由于同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,因此在它们相切的地方,总是一方是电子,另一方是正电子,这些电子与正电子的合力就是核力,核力的大小约等于一对作用力最大的引力和斥力的合力。如下图所示:

O1O2是两个相邻核子的中心,P点是相邻的两个核子的切点,A和B是两个核子相切处相互接触的电子与正电子的中心,C是核子O1内与电子A相切的正电子,D是电子A与正电子C的切点。所以A与B的作用力最大的引力,B与C是作用力最大的斥力,这对引力和斥力的合力就是核力。以电子的半径为长度单位,则:

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

此时两个核子之间的电磁力

F电1= ke2/O1O22= ke2/24.52=1/600 ke2

F这说明当两个核子之互相接触时,两个核子之间的合力是电磁力的100倍。

当两个核子之间的距离增加到2×10-15m时:

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电2= ke2/O1O22= ke2/30.52=1/930 ke2

这说明当两个核子之间的距离增加到2×10-15m时合力迅速减小,与电磁力互相抵消后约等于零。这就是说核力的大小等于两个相邻的两个核子之间的电磁力的合力,即核力的本质就是电磁力。