旋涡模型与原子壳层结构

【摘 要】 根据量子力学分析了经典原子物理中核子壳层与核外电子壳层的矛盾以及核内的质子排列与核外的电子排列的不对应性，提出了原子的旋涡壳层结构，解决了核子壳层与核外电子壳层以及核子与电子的排列问题。较为详细的解释了一些至今悬而未解的一些理论问题。对于原子物理和基本粒子的研究有一定的参考价值。

【关键词】 原子壳层结构 旋涡 质子 中子

1 核内外粒子排列存在的问题

元素周期表较好地反映了元素的性质与原子核外电子分布的关系，正确地解释了许多原子物理现象。原子核壳层结构模型也较为理想地解释了幻数和磁矩等基本性质，这些已经得到了实验的检验，在理论上取得了令人鼓舞的成就。但是，影响原子性质的不只是核外电子和核内质子的多少和如何分布，还有核内中子的多少和如何排布。只考虑质子、电子不考虑中子显然是欠缺的，其结果是不正确的。

1.1 核外电子壳层为什么大都未排满

由经典物理，我们知道，电子壳层允许的最大电子数为2、8、18、32、50、72、98，最大电子总数为2、10、28、60、110、182、280，元素周期表从第三周期开始，为什么就没有排满呢？为什么电子会违反能量最低原理而先进入外壳层呢？为什么外壳层的能级反而比内壳层的要小呢？理论预言最大电子总数为280，实际上只发现了92（铀），制造出了116（Uuh）。为什么差了这么多？

1.2 核子壳层为什么与核外电子壳层不对应

早在70年前，原子核的壳层结构模型就已经确定了四个质子层，与核外电子的排列矛盾。为什么核内的质子排列与核外的电子的排列就不能一一对应呢？难道电子是随意排列的吗？为什么幻数理论预言的298（114，184）双幻数核至今未找到呢？

2 原子壳层结构的改进与统一

上述疑难问题将如何回答呢？原有的经典理论则束手无策，只能另辟行径，将原子壳层结构内外协调、统一起来，根据袁玉刚[1]提出的旋涡模型，假设原子是一个太空旋涡。原子核位处旋涡中心（核中心有黑洞），电子位处旋涡的赤道两侧，光子应该处于旋涡的边缘。原子旋涡力决定了核内质子和中子数即质量数的大小，可顺理成章的给出核外电子层的多少，同时也决定了原子的性质。质子和中子数及其位置与核外电子数及其位置应是一一对应的。核内某个位置有一个中子，核外某个位置就一定没有电子。核内某个位置有一个质子，核外某个位置就一定有一个电子。如果核内某个位置有一个质子，而核外某个位置没有电子，就缺失了一个电子，就产生出一个空穴来，就能够吸引其它高势能的电子或者原子外的电子来充填。

核子和电子都是自旋量子数为1/2，因此要遵守泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则，所以要排列在壳层里的旋臂上。旋臂是分叉的，一条旋臂进入新的壳层就一分为二。叉数等于所在壳层的2的壳层次方。核内旋臂分叉很难测试，迈耶夫人所提出的能级劈裂可以看作旋臂的分裂。核内核外都是四个壳层，每个壳层的厚度或者小壳层数等于所在壳层的2的壳层次方。

在经典的原子模型中，原子呈球形，电子在球壳上运动。并且规定相临的两个同层电子必须旋向相反，运动方向相反，这样才能解释原子的自旋磁矩为零的现实。在袁玉刚的原子旋涡模型中，不需要这样的规定，粒子都应该服从原子旋涡的安排，朝着同一个方向旋转，与太阳系行星的运动一样。但是，上面提到的微观粒子一进入原子旋涡就被迅速的两极分化了。旋涡力像缯把经线一分为二一样把四维旋涡里的物质一分为二两极化，越近核心，分化越严重。不管是质子、中子，还是电子均不例外。因此，先后进入的同壳层相临的两个粒子是一南一北，或者说一上一下、一左一右。事实上，如果透过原子从N极向S极看，电子的运动方向都是右旋。但是，如果从赤道上看，电子的运动方向就是N极右旋、S极左旋了。

因为小壳层里依然还有更小的壳层，粒子在自己的小小壳层里做变速圆周运动，不会相互碰撞。就目前的旋涡理论认为核子最多只能有340个，质子不超过170个，也就是说核外电子数不超过170。（其实小壳层的厚度是不相等，因为有此带来的误差很小。可以认为小壳层的厚度是相等的）。核内质子与核外电子的壳层及位置都应是一一对应，核子要求从外向里排列，电子则从里向外排列。只要知道了核外电子的位置，进而，可以判断出核内对应质子的位置。既然核外电子的位置越向外能级越高，相对应的核内质子的位置就越向里能级越高。

这样，壳层里的核子等于或者小于4的壳层次方。于是，元素周期表的第一、第二周期不变，第三、第四周期成为原子周期表的第三周期（分别为第1、2小壳层；3、4、5、6、7、8小壳层）；元素周期表的第五、第六和第七周期成为原子周期表的第四周期（分别为第1、2、3小壳层；4、5、6、7、8小壳层；9以及以后的小壳层）。

3 结语

本文根据袁玉刚提出的新原子壳层结构理念，意图完善旧的壳层理论，更好地揭示原子的真相，解释原子的性质和实验结果。 例如，为什么镓的有效核电荷数较低呢？对于Li、Na、Rb的有效核电荷数较低是因为它们都位于新周期的初始位置，元素周期率也能够解释清楚。那么，镓的有效核电荷数为什么也较低呢？元素周期率不好解释。而根据本文的解释是，因为镓位于原子周期第三壳层的第七小壳层的开始处，所以，应该和K、Cs的情况一样，有效核电荷数较低。还有为什么锰、锝、铼的原子半径突然变大，电负性突然变小呢？以及为什么天然放射性元素的衰变要到铅才能稳定呢？特别是为什么原子核表面中子的密度大？等一系列悬而未解的问题，本文都能给出合理的解释。该理论在奇异原子的研究中有重要应用[2]，文中所提到的涡旋模型对基本粒子性质的研究也有一定的参考价值[3-4]。

参考文献：

[1]袁玉刚.旋涡里的宇宙[M].甘肃科技出版社，2008年版.120-130.

[2]游阳明，王炳章，王吉有.P原子的光学模型势与核极化修正[J].物理学报，2012，60（20）202401-6.

[3]You Yangming，Zhang Xuelong，Wang Bingzhang et al.Gauge field theory of quantum，Lepton and Quark’s Mass Empirical Formulas[J].Chines Science Bulletin 2008，Vol.53（3） 460-464.

[4]储圣林.原子物理学[M].高等教育出版社，2008年版.389-396.