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構成質(zhì)子和中子的電子模型及原子內部尺度
對質(zhì)子和中子的構成,物理學(xué)家先后提出了夸克模型和部分子模型，以下是小編搜集整理的一篇探究構成質(zhì)子和中子的電子模型的論文范文，供大家閱讀借鑒。
1、 原子構成的疑惑
原子是一種元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位。在盧瑟福原子模型中,一個(gè)原子包含一個(gè)原子核和若干圍繞在原子核周?chē)\動(dòng)的電子,原子核由帶正電荷的質(zhì)子和電中性的中子組成;核外電子與原子核中帶正電荷的質(zhì)子共同保持原子的平衡,當質(zhì)子數與電子數相同時(shí)這個(gè)原子就是電中性的,否則就是帶有正電荷或負電荷的離子。
雖然物理學(xué)家玻爾提出了電子層理論解決了盧瑟福原子模型的原子坍塌問(wèn)題,但電子層理論認為:電子在電子層內要吸收或釋放能量才能實(shí)現躍遷。因此,電子在一般情況下是很難進(jìn)到電子層的,那這些電子又是怎么進(jìn)到電子層的呢?圍繞原子核周?chē)\動(dòng)的電子又是從哪來(lái)的呢?是什么力量使電子分層排布的呢?這些問(wèn)題盧瑟福的原子模型和玻爾的電子層理論不能給出答案。
對質(zhì)子和中子的構成,物理學(xué)家先后提出了夸克模型和部分子模型�？淇四Ｐ驼J為,質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成,中子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成;上夸克帶 2/3 正電荷,下夸克帶 1/3負電荷,使質(zhì)子帶一個(gè)正電荷,中子不顯電性。部分子模型認為,質(zhì)子和中子由單一的無(wú)定形的部分子云組成。為統一夸克模型和部分子模型,物理學(xué)家費了很大功夫,“因為費恩曼的質(zhì)子和中子的基本圖像是包含大量部分子云,但理論界認為這種云只含三個(gè)夸克是不符合現實(shí)的。于是人們對模型做了相應的改進(jìn),即將夸克-部分子云分成兩部分。一部分的夸克數目極少,稱(chēng)為‘價(jià)夸克’;一部分包含夸克-反夸克的‘夸克海’,然而,即使理論上允許存在任意數量的�？淇�,他們仍然高估了實(shí)測的結構函數。理論家們又進(jìn)一步改進(jìn)夸克-部分子模型,為此引入‘膠子’到質(zhì)子的組分里。這么做的理由是,如果核子只是由無(wú)相互作用的夸克組成,它們必然會(huì )散架。因此應當有某種相互作用實(shí)體將夸克黏在一起,這種假設性的粒子就是‘膠子’。”
這樣“,粒子物理學(xué)家將部分子認同為夸克,并由此產(chǎn)生一個(gè)不幸的后果。標度無(wú)關(guān)性的夸克-部分子解釋要求在電子-質(zhì)子相互作用中受撞擊的夸克表現得像個(gè)自由粒子。如果這種夸克始終表現為自由粒子,那么人們會(huì )認為它是從部分子內部被打出來(lái)的,因此應當出現在碰撞碎片里。但是如同其他類(lèi)型反應的情形下一樣,人們并沒(méi)有在電子散射的終態(tài)里觀(guān)察到夸克。電子散射的碎片只是一簇正常的強子,這種現象必須通過(guò)添加一些假設到部分子模型才能解釋。……這種假設是不可避免的,理論上也不盡合理。但是,隨著(zhù)夸克-部分子模型成為越來(lái)越多的粒子物理學(xué)家實(shí)踐的中心內容,高能物理學(xué)家也不得不學(xué)著(zhù)與這種不令人滿(mǎn)意的狀態(tài)共處。”
美國物理學(xué)家斯蒂芬·溫伯格寫(xiě)到:“組成普通物質(zhì)的基本粒子和它們的同胞兄弟———輕子、光子、W 粒子、Z 粒子、夸克和膠子———都能很好地被標準模型所描述,這個(gè)模型是電弱理論和量子色動(dòng)力學(xué)的綜合,但它還不是最終的理論,不能給出最終的答案。到目前為此,人們也沒(méi)有在所有實(shí)驗、核爆炸、自然界等找到夸克和膠子的蹤影。
從盧瑟福的原子模型和夸克-部分子模型可知:原子核內沒(méi)有電子和正電子�？稍雍说乃プ円懦鲭娮踊蛘娮�,那放出的電子和正電子又是哪里來(lái)的呢?真是科學(xué)家所說(shuō)的“受激”產(chǎn)生的嗎?如果是,那又是怎么受的激呢?為什么要受激呢?為什么“受激”要產(chǎn)生電子或正電子,而不產(chǎn)生夸克呢?無(wú)論是盧瑟福的原子模型,還是夸克-部分子模型,都有許多問(wèn)題不能解釋。這些問(wèn)題不能正確回答就仍然沒(méi)有弄清楚原子的構成。
2 、原子構成的推論
由于人類(lèi)從未觀(guān)察到自由夸克和膠子,夸克和膠子也許存在,也許不存在。如果不存在夸克和膠子那我們的理論都將建立在空中樓閣上。我們能不能用哲學(xué)的思維來(lái)重新審視原子結構的問(wèn)題,研究原子構成的成因呢?所以文章從正負電子的電荷入手,結合已有的實(shí)驗和自然規律進(jìn)行分析研究,認為正負電子就是最小的基本粒子,不存在比基本電荷更小的分數電荷粒子,質(zhì)子和中子不是由夸克組成的,而是由正負電子組成的,組成中子的正負電子數相等,質(zhì)子比中子多一個(gè)正電子。
也許有人會(huì )反駁說(shuō),正負電子相遇會(huì )發(fā)生湮滅,不可能形成質(zhì)子和中子。但是,湮滅不等于正負電子的消失,只是正負電子組合成為其他新粒子。電荷守恒定律告訴我們:在粒子的相互作用過(guò)程中,電荷是可以產(chǎn)生和消失的,然而電荷守恒并未因此而受到破壞。說(shuō)明正負電子仍然存在,只是正負電子相遇結合后,正負電荷“基本平衡”而對外不顯“電性”,但庫侖力仍然存在。就象氧氣和氫氣在一定的條件下相遇湮滅產(chǎn)生水,變成了液體,氧原子和氫原子仍然存在,水在一定的條件下又還原成氧氣和氫氣。正負電子構成質(zhì)子和中子的原理也應如此。
3、 構成質(zhì)子和中子的電子模型
在日常生活中常見(jiàn),正電子在宇宙中很少見(jiàn),只是在宇宙射線(xiàn)和原子的衰變中能見(jiàn)到,但沒(méi)有見(jiàn)到是不是就沒(méi)有呢?科學(xué)發(fā)現,正負電子數量相等,總是成對出現或成對消失,為什么正電子就不見(jiàn)了呢?我認為是有的,而且還很多,之所以少見(jiàn),是我們忽視了一個(gè)粒子———光子。所以,我認為組成質(zhì)子和中子的正負電子就是從“正負電子對”獲得的。
從理論上說(shuō)正負電子對可以壘積成無(wú)窮大的粒子,為什么又只壘積到質(zhì)子和中子的大小就停止了呢?要解決這個(gè)問(wèn)題,我們就必須要分析和研究正負電子的電量。物理學(xué)家告訴我們:正負電子質(zhì)量相同,電量相等,電性相反,這是科學(xué)界一直遵循的理論。我認為恰恰是這一理論導致了我們對質(zhì)子、中子構成的認識發(fā)生了偏差。
我認為正負電子的電量是不相等的,電子比正電子的電量應該要大一點(diǎn)點(diǎn)。這樣,當正負電子壘積到中子大小時(shí)就成為一個(gè)基本成熟的粒子,因中子的正負電子數相等,所以中子總的負電荷比總的正電荷略大。由于庫侖力的作用,此時(shí),中子就只能接收一個(gè)正電子,成為質(zhì)子,成為質(zhì)子后就再不能接收電子或正電子,也不能接收正負電子對。如果是一個(gè)中子與最后來(lái)的一個(gè)電子對(因為正負電子是成對出現和成對消失)結合時(shí),則電子對被中子吸收,因總的負電荷比總的正電荷多,電子對中的正電子與中子結合成為質(zhì)子,電子就在庫侖力的作用下被中子的多余負電荷排斥到核外電子層,成為繞核運動(dòng)的電子,組成了氫原子。如果是兩個(gè)中子與最后來(lái)的一個(gè)電子對結合時(shí),電子對中的正電子被一個(gè)中子吸收,成為質(zhì)子,因為有正電子的出現,另一個(gè)中子與質(zhì)子結合成為原子核,共同擠出電子到電子層,組成了氫的同位素氘。如果是三個(gè)中子與最后一個(gè)電子對結合時(shí),電子對的正電子被一個(gè)中子吸收,成為質(zhì)子,另兩個(gè)中子與質(zhì)子結合,共同擠出一個(gè)電子到電子層,成為氫的同位素氚。如果四個(gè)中子與兩個(gè)電子對結合,則生成氦。依此類(lèi)推,所有的原子就這樣生成了,隨著(zhù)原子序數的增加,原子核外的電子增多,斥力將核外電子一個(gè)一個(gè)地擠入更高電子層,形成了核外電子的分層排列。
在元素周期表中,同周期的元素電子層相同,從左到右質(zhì)子數遞增,原子核中的正電荷也在遞增,對電子層的電子吸引力增大,所以原子的半徑減小。同一族元素,從上到下,電子層增加,所以原子的半徑增大。因庫侖力的作用,為了保持原子的穩定,原子中如果質(zhì)子偏多時(shí)則正電荷偏多,質(zhì)子就會(huì )放出一個(gè)正電子成為中子;如果中子偏多則負電荷增多,中子則放出一個(gè)電子成為帶正電荷的粒子,也可能中子吸收一個(gè)電子對,放出一個(gè)電子成為質(zhì)子。
組成質(zhì)子和中子的簡(jiǎn)易模型為:圖 1組成反質(zhì)子與反中子的簡(jiǎn)易模型:圖 2從模型可以看出,質(zhì)子和中子內部充滿(mǎn)正負電子,相互之間產(chǎn)生庫侖力,構成強相互作用。在正負電子的庫侖力失去平衡時(shí),質(zhì)子或中子將發(fā)生衰變,強相互作用和弱相互作用實(shí)際上都是庫侖力的作用。
介子、μ 子等其它粒子應為質(zhì)子或中子的碎片,或者是沒(méi)有成熟的質(zhì)子或中子,只是有的帶正電荷,有的帶負電荷,有的顯電中性,有的質(zhì)量大,有的質(zhì)量小。
根據電子模型,我們可以預言:在實(shí)驗中,如果條件相同的情況下,用粒子轟擊質(zhì)子或中子,會(huì )形成不同的質(zhì)子或中子和粒子的碎片粒子。我們可以發(fā)現,這些碎片的總電荷是守恒的,也就是所有碎片的正負電荷之和(包括粒子及碎片)與質(zhì)子或中子加粒子的電荷之和相同;碎片粒子衰變出的產(chǎn)物,電荷也同樣是守恒的。
電子模型認為:原子內部只有庫侖力的作用,因此,電子進(jìn)入電子層也只能是庫侖力的作用。這樣,我們還可以預言:在實(shí)驗中,可以觀(guān)測到兩個(gè)電子的相互排斥力比兩個(gè)正電子的相互排斥力要大。也可以觀(guān)察到中子帶少量的負電荷。
4、 原子內部的尺度探究
電子模型認為:電子比正電子的電荷要大一點(diǎn)點(diǎn),到底大多少呢?下面我們以氘為例來(lái)計算:根據目前科學(xué)家的測定數據:Q負=1.6021765×10-19庫侖,原子半徑 r=5.292×10-11m,原子核半徑 r核=1.5×10-15m,電子的質(zhì)量為 9.109382×10-30kg,質(zhì)子質(zhì)量為 938.272046×1.783179 ×10-30=1.673107 ×10-27kg。 質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量之比為1836.8,約為 1837。按照電子模型,就是質(zhì)子由 1837 個(gè)正負電子組成,質(zhì)子多一個(gè)正電子,有 919 個(gè)正電子和 918 個(gè)電子;中子有 918個(gè)電子和 918 個(gè)正電子。因為電子的電荷比正電子大,所以原子內部總的負電荷就大于總的正電荷。核外電子層的電子受核內總的正電荷對其的引力和總的負電荷對其的斥力平衡。因為原子核總正電荷,表現的為引力,總負電荷表現的為斥力,所以引力的發(fā)力點(diǎn)應在核心,斥力的發(fā)力點(diǎn)應在核周邊。
即:電子比正電子的電荷大 7.81×10-23庫侖。但是考慮到在原子中,質(zhì)子主要表現的是引力,正負電子總的趨勢是向內;中子主要表現的是斥力,正負電子總的趨勢是向外,因此中子的半徑應比質(zhì)子的半徑大,原子核的半徑也應比目前測得的半徑大,也就是實(shí)際比計算的每個(gè)電子的電量與正電子電量的差值還要小,估計電子的電量比正電子電量要大 3~5×10-23庫侖。正負電子電量這樣小的差值,很容易造成人們對其重要性的忽視,在目前的運用中,都會(huì )被忽略不計。但是當正負電子對壘積到中子大小時(shí),這種特性和重要性就會(huì )顯露出來(lái)。
因為電子的電量比正電子的電量微大,結合成物質(zhì)后電子就顯得富余,所以自然界中就多見(jiàn)電子而很少見(jiàn)正電子。這也是質(zhì)子整體帶正電荷,中子內部帶正電荷,外部帶負電荷,正負電子電荷基本相等顯電中性的原因。
5、 證明與應用
5.1 1967 年,查理·泰勒、亨利肯德和杰羅姆弗里德曼領(lǐng)導的聯(lián)合實(shí)驗小組利用美國斯坦福大學(xué)用 20GeV 的電子直線(xiàn)加速器,通過(guò)高能電子對質(zhì)子內部進(jìn)行探測,實(shí)現了電子-質(zhì)子的深度非彈性散射,發(fā)現了質(zhì)子內部有類(lèi)似電子的散射中心。美籍物理學(xué)家斯蒂芬·溫伯格寫(xiě)到:“令人驚詫的是,有相當大一部分高能電子作大角度散射。……大角度散射的觀(guān)察和綜合動(dòng)量守恒定律,……人們相信,用這種方法在原子內部發(fā)現的小而重的粒子是夸克。”可是夸克帶的電荷比電子小很多,體積比電子大很多,電子是高速運動(dòng),當碰到夸克時(shí)怎么會(huì )發(fā)生大角度散射呢?我們知道,高速運動(dòng)的子彈碰到一定厚度的鋼板都可以穿透,這樣小而高速的電子碰到夸克應該是射入或穿透。再說(shuō),動(dòng)量守恒定律沒(méi)有考慮庫侖力的作用。如果不考慮庫侖力的作用,要么高能電子束幾乎會(huì )全部發(fā)生大角度散射;要么幾乎會(huì )全部射入或穿透夸克;也可以說(shuō)就是碰到了質(zhì)子,其它什么都沒(méi)有。如果考慮庫侖力的作用,只能是質(zhì)子由正負電子組成,才會(huì )發(fā)生大部分高能電子束發(fā)生大角度散射。因此,電子-質(zhì)子深度散射應該是高能電子束碰到了電子,而不是夸克。這個(gè)實(shí)驗實(shí)際上是證明了質(zhì)子內部有很多電子存在,說(shuō)明質(zhì)子和中子很可能是由正負電子組成的。
5.2 楊振寧和李政道提出 K 介子的衰變證明弱相互作用中宇稱(chēng)不守恒,后經(jīng)吳健雄用實(shí)驗證實(shí),K+介子衰變出現兩種情況,一種是衰變?yōu)橐粋�(gè) π+和一個(gè) π0,一種是衰變?yōu)閮蓚�(gè) π+和一個(gè) π-。即:K+→π++π0K+→π++π++π-用電子模型來(lái)解釋:粒子衰變后電荷是守恒的。K+屬于質(zhì)子型介子,帶一個(gè)正電荷,根據電荷守恒定律,如果衰變?yōu)閮蓚�(gè) π 介子則為一個(gè) π+和一個(gè) π0。如果衰變?yōu)槿齻�(gè) π 介子則為兩個(gè) π+和一個(gè) π-(或者還可衰變?yōu)橐粋�(gè) π+和兩個(gè) π0)。
5.3 在原子核的衰變中,“富含中子的原子核的 β 衰變與電子一起發(fā)射出來(lái)的是反中微子,在富含質(zhì)子的原子核的 β 衰變中與正電子一起發(fā)射出來(lái)的是中微子。”我們知道,質(zhì)子比較穩定,也就是中子在發(fā)生衰變。如果質(zhì)子、中子都是夸克組成的,那原子核的衰變怎么會(huì )發(fā)射出電子和正電子呢?為什么原子核內的質(zhì)子數和中子數不同要發(fā)生相反的衰變結果呢?夸克-部分子模型又怎么解釋這種現象呢?用電子模型解釋為:強弱相互作用都是庫侖力的作用,因為原子有多少個(gè)質(zhì)子就有多少個(gè)正電荷,如果原子核中的中子多,說(shuō)明負電荷就多,因此一個(gè)中子就要放出一個(gè)電子,成為與質(zhì)子一樣帶正電荷的粒子,原子內部正電荷增加,以保持其原子內部電荷的整體平衡;如果質(zhì)子多,則正電子就多,一個(gè)質(zhì)子就會(huì )放出一個(gè)正電子,成為一個(gè)中子,原子內部負電荷增加,以保持其電荷的平衡。
6、 結束語(yǔ)
文章提出了一種新的原子模型,原子由質(zhì)子、中子和核外電子組成,質(zhì)子和中子是由正負電子組成。電子比正電子的電量大。當正負電子對湮滅時(shí),正負電子并未被消滅,他們只是結合成了新粒子。因正負電荷基本平衡,所以新粒子顯電中性,但庫侖力仍然存在,并且強相互作用和弱相互作用實(shí)際上都是庫侖力的作用。
參考文獻:
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