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構(gòu)成質(zhì)子和中子的電子模型及原子內(nèi)部尺度
對質(zhì)子和中子的構(gòu)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(gòu)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(gòu)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圍運(yùn)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(dāng)質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)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(fù)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題,但電子層理論認(rèn)為:電子在電子層內(nèi)要吸收或釋放能量才能實(shí)現(xiàn)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?圍繞原子核周圍運(yùn)動(dòng)的電子又是從哪來的呢?是什么力量使電子分層排布的呢?這些問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(gòu)成,物理學(xué)家先后提出了夸克模型和部分子模型。夸克模型認(rèn)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(fù)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(rèn)為,質(zhì)子和中子由單一的無定形的部分子云組成。為統(tǒng)一夸克模型和部分子模型,物理學(xué)家費(fèi)了很大功夫,“因?yàn)橘M(fèi)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(rèn)為這種云只含三個(gè)夸克是不符合現(xiàn)實(shí)的。于是人們對模型做了相應(yīng)的改進(jìn),即將夸克-部分子云分成兩部分。一部分的夸克數(shù)目極少,稱為‘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(shù)量的�？淇�,他們?nèi)匀桓吖懒藢?shí)測的結(jié)構(gòu)函數(shù)。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,如果核子只是由無相互作用的夸克組成,它們必然會散架。因此應(yīng)當(dāng)有某種相互作用實(shí)體將夸克黏在一起,這種假設(shè)性的粒子就是‘膠子’。”
這樣“,粒子物理學(xué)家將部分子認(rèn)同為夸克,并由此產(chǎn)生一個(gè)不幸的后果。標(biāo)度無關(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(xiàn)得像個(gè)自由粒子。如果這種夸克始終表現(xiàn)為自由粒子,那么人們會認(rèn)為它是從部分子內(nèi)部被打出來的,因此應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)在碰撞碎片里。但是如同其他類型反應(yīng)的情形下一樣,人們并沒有在電子散射的終態(tài)里觀察到夸克。電子散射的碎片只是一簇正常的強(qiáng)子,這種現(xiàn)象必須通過添加一些假設(shè)到部分子模型才能解釋。……這種假設(shè)是不可避免的,理論上也不盡合理。但是,隨著夸克-部分子模型成為越來越多的粒子物理學(xué)家實(shí)踐的中心內(nèi)容,高能物理學(xué)家也不得不學(xué)著與這種不令人滿意的狀態(tài)共處。”
美國物理學(xué)家斯蒂芬·溫伯格寫到:“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(biāo)準(zhǔn)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,人們也沒有在所有實(shí)驗(yàn)、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(nèi)沒有電子和正電子�？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的呢?真是科學(xué)家所說的“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?無論是盧瑟福的原子模型,還是夸克-部分子模型,都有許多問題不能解釋。這些問題不能正確回答就仍然沒有弄清楚原子的構(gòu)成。
2 、原子構(gòu)成的推論
由于人類從未觀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)的思維來重新審視原子結(jié)構(gòu)的問題,研究原子構(gòu)成的成因呢?所以文章從正負(fù)電子的電荷入手,結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)和自然規(guī)律進(jìn)行分析研究,認(rèn)為正負(fù)電子就是最小的基本粒子,不存在比基本電荷更小的分?jǐn)?shù)電荷粒子,質(zhì)子和中子不是由夸克組成的,而是由正負(fù)電子組成的,組成中子的正負(fù)電子數(shù)相等,質(zhì)子比中子多一個(gè)正電子。
也許有人會反駁說,正負(fù)電子相遇會發(fā)生湮滅,不可能形成質(zhì)子和中子。但是,湮滅不等于正負(fù)電子的消失,只是正負(fù)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。說明正負(fù)電子仍然存在,只是正負(fù)電子相遇結(jié)合后,正負(fù)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(fù)電子構(gòu)成質(zhì)子和中子的原理也應(yīng)如此。
3、 構(gòu)成質(zhì)子和中子的電子模型
在日常生活中常見,正電子在宇宙中很少見,只是在宇宙射線和原子的衰變中能見到,但沒有見到是不是就沒有呢?科學(xué)發(fā)現(xiàn),正負(fù)電子數(shù)量相等,總是成對出現(xiàn)或成對消失,為什么正電子就不見了呢?我認(rèn)為是有的,而且還很多,之所以少見,是我們忽視了一個(gè)粒子———光子。所以,我認(rèn)為組成質(zhì)子和中子的正負(fù)電子就是從“正負(fù)電子對”獲得的。
從理論上說正負(fù)電子對可以壘積成無窮大的粒子,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)問題,我們就必須要分析和研究正負(fù)電子的電量。物理學(xué)家告訴我們:正負(fù)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(rèn)為恰恰是這一理論導(dǎo)致了我們對質(zhì)子、中子構(gòu)成的認(rèn)識發(fā)生了偏差。
我認(rèn)為正負(fù)電子的電量是不相等的,電子比正電子的電量應(yīng)該要大一點(diǎn)點(diǎn)。這樣,當(dāng)正負(fù)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(fù)電子數(shù)相等,所以中子總的負(fù)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(fù)電子對。如果是一個(gè)中子與最后來的一個(gè)電子對(因?yàn)檎?fù)電子是成對出現(xiàn)和成對消失)結(jié)合時(shí),則電子對被中子吸收,因總的負(fù)電荷比總的正電荷多,電子對中的正電子與中子結(jié)合成為質(zhì)子,電子就在庫侖力的作用下被中子的多余負(fù)電荷排斥到核外電子層,成為繞核運(yùn)動(dòng)的電子,組成了氫原子。如果是兩個(gè)中子與最后來的一個(gè)電子對結(jié)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?yàn)橛姓娮拥某霈F(xiàn),另一個(gè)中子與質(zhì)子結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)合,則生成氦。依此類推,所有的原子就這樣生成了,隨著原子序數(shù)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?cái)D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(shù)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(wěn)定,原子中如果質(zhì)子偏多時(shí)則正電荷偏多,質(zhì)子就會放出一個(gè)正電子成為中子;如果中子偏多則負(fù)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)子和中子的簡易模型為:圖 1組成反質(zhì)子與反中子的簡易模型:圖 2從模型可以看出,質(zhì)子和中子內(nèi)部充滿正負(fù)電子,相互之間產(chǎn)生庫侖力,構(gòu)成強(qiáng)相互作用。在正負(fù)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(qiáng)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(yīng)為質(zhì)子或中子的碎片,或者是沒有成熟的質(zhì)子或中子,只是有的帶正電荷,有的帶負(fù)電荷,有的顯電中性,有的質(zhì)量大,有的質(zhì)量小。
根據(jù)電子模型,我們可以預(yù)言:在實(shí)驗(yàn)中,如果條件相同的情況下,用粒子轟擊質(zhì)子或中子,會形成不同的質(zhì)子或中子和粒子的碎片粒子。我們可以發(fā)現(xiàn),這些碎片的總電荷是守恒的,也就是所有碎片的正負(fù)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(rèn)為:原子內(nèi)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(yù)言:在實(shí)驗(yàn)中,可以觀測到兩個(gè)電子的相互排斥力比兩個(gè)正電子的相互排斥力要大。也可以觀察到中子帶少量的負(fù)電荷。
4、 原子內(nèi)部的尺度探究
電子模型認(rèn)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計(jì)算:根據(jù)目前科學(xué)家的測定數(shù)據(jù):Q負(fù)=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(fù)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?yàn)殡娮拥碾姾杀日娮哟?所以原子內(nèi)部總的負(fù)電荷就大于總的正電荷。核外電子層的電子受核內(nèi)總的正電荷對其的引力和總的負(fù)電荷對其的斥力平衡。因?yàn)樵雍丝傉姾?表現(xiàn)的為引力,總負(fù)電荷表現(xiàn)的為斥力,所以引力的發(fā)力點(diǎn)應(yīng)在核心,斥力的發(fā)力點(diǎn)應(yīng)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(xiàn)的是引力,正負(fù)電子總的趨勢是向內(nèi);中子主要表現(xiàn)的是斥力,正負(fù)電子總的趨勢是向外,因此中子的半徑應(yīng)比質(zhì)子的半徑大,原子核的半徑也應(yīng)比目前測得的半徑大,也就是實(shí)際比計(jì)算的每個(gè)電子的電量與正電子電量的差值還要小,估計(jì)電子的電量比正電子電量要大 3~5×10-23庫侖。正負(fù)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(yùn)用中,都會被忽略不計(jì)。但是當(dāng)正負(fù)電子對壘積到中子大小時(shí),這種特性和重要性就會顯露出來。
因?yàn)殡娮拥碾娏勘日娮拥碾娏课⒋?結(jié)合成物質(zhì)后電子就顯得富余,所以自然界中就多見電子而很少見正電子。這也是質(zhì)子整體帶正電荷,中子內(nèi)部帶正電荷,外部帶負(fù)電荷,正負(fù)電子電荷基本相等顯電中性的原因。
5、 證明與應(yīng)用
5.1 1967 年,查理·泰勒、亨利肯德和杰羅姆弗里德曼領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組利用美國斯坦福大學(xué)用 20GeV 的電子直線加速器,通過高能電子對質(zhì)子內(nèi)部進(jìn)行探測,實(shí)現(xiàn)了電子-質(zhì)子的深度非彈性散射,發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子內(nèi)部有類似電子的散射中心。美籍物理學(xué)家斯蒂芬·溫伯格寫到:“令人驚詫的是,有相當(dāng)大一部分高能電子作大角度散射。……大角度散射的觀察和綜合動(dòng)量守恒定律,……人們相信,用這種方法在原子內(nèi)部發(fā)現(xiàn)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(yùn)動(dòng),當(dāng)碰到夸克時(shí)怎么會發(fā)生大角度散射呢?我們知道,高速運(yùn)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(yīng)該是射入或穿透。再說,動(dòng)量守恒定律沒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全部發(fā)生大角度散射;要么幾乎會全部射入或穿透夸克;也可以說就是碰到了質(zhì)子,其它什么都沒有。如果考慮庫侖力的作用,只能是質(zhì)子由正負(fù)電子組成,才會發(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(yīng)該是高能電子束碰到了電子,而不是夸克。這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是證明了質(zhì)子內(nèi)部有很多電子存在,說明質(zhì)子和中子很可能是由正負(fù)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不守恒,后經(jīng)吳健雄用實(shí)驗(yàn)證實(shí),K+介子衰變出現(xiàn)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(jù)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)射出來的是中微子。”我們知道,質(zhì)子比較穩(wěn)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發(fā)射出電子和正電子呢?為什么原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)不同要發(fā)生相反的衰變結(jié)果呢?夸克-部分子模型又怎么解釋這種現(xiàn)象呢?用電子模型解釋為:強(qiáng)弱相互作用都是庫侖力的作用,因?yàn)樵佑卸嗌賯�(gè)質(zhì)子就有多少個(gè)正電荷,如果原子核中的中子多,說明負(fù)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(nèi)部正電荷增加,以保持其原子內(nèi)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)子就會放出一個(gè)正電子,成為一個(gè)中子,原子內(nèi)部負(fù)電荷增加,以保持其電荷的平衡。
6、 結(jié)束語
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(fù)電子組成。電子比正電子的電量大。當(dāng)正負(fù)電子對湮滅時(shí),正負(fù)電子并未被消滅,他們只是結(jié)合成了新粒子。因正負(fù)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(qiáng)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(xiàn):
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