核内结构的稳定性，幻数

                              晏成和   卢继安

前面两篇文章，讨论到分子的稳定性、原子的稳定性，涉及到核内和核外。元素周期律8简洁天成，以核外电子自然数的排列，揭示了大自然内在的简单、规律、秩序和逻辑。

核外价电子之和稳定的8，是几何、物理与自然因素的综合表达,同时也激发了人们的好奇：原子结构为什么是2,8,18？

周期表告诉我们：构成原子的基材就只是质子、电子。就这两子建立的元素周期表为什么是8进制，核外电子为什么8个最稳定？于是只能从核内、核外，从这两子的结合和运动的多个方面探讨这个稳定的8。

文章发表后，有物理专业的同学说：原子的稳定性，一百年前就有人研究，建议我研究一下“幻数”，并且为我提供资料。原来，自从物理学涉及到原子的裂变、衰变以来，就有学者高度关注原子（原子核）的稳定性。

80年前，研究者对所有的元素原子核分别射入中子，实验中发现，原子序数为2、8、14、20、28、50、82…数值时，原子核的稳定性特别好。从表面上看，这些数值没有什么特别的规律性，被称为“幻数”。

为什么稳定？德国核物理学家麦耶和简森等人建立壳层模型、用轨道和质子自旋作用来解释这种现象，他们由此而获得1963年诺贝尔奖。

建立壳层模型和用轨道来研究原子核稳定性是正确的方向。但是壳层结构的形成过程：核子所处势场是在低能量状态中加入核子的自旋-轨道耦合作用项，引起了能级的分裂……却是牵强、难以理解。

但是囿于量子理论的局限，他们强调，核内的壳层结构并不是空间分布，而是表示核子的能量分布，以空间概率来表示。这样表述，使得核内壳层结构分、又没分开，不伦不类。

加之当时代对核内结构知之甚少，认为质子带正电荷、相斥。日本学者汤山秀树就设想了质子、中子之间有介子，该理论为质子正电荷相斥之说解围。所以直至今天，学界都认为这些质子、中子是像红豆、黄豆一样混合成团地挤在一起，并没有麦耶和简森的壳层结构。（图一）

图一  现在物理学中的原子核 （图片来自百度）

稳定和不稳定相对存在，有些原子的核就很不稳定，有的呈现衰变、有的呈现核裂变。这些核的放射性，发射出三种射线，这些射线透露了核内结构的蛛丝马迹，是人们科研的重要线索。

α射线，由2个电子以极高速率环绕4个质子旋转组成，稳固、结合能极大，甚至是在核爆炸氦核也不分离。其结构与氦元素的原子核相同，所以也叫氦核。α射线说明在原子核内有大量的氦核，结构极为稳固。

β射线，是电子流，说明原子核内也存在着高速运转的电子。

γ射线，是核内电子振动发出的频率极高的电磁波。高频电磁波告诉我们，原子核内存在着运转速率极高（达到每秒3X10^18转）的电子，是电子跃迁辐射的电磁波。[1]

核内信息三种射线，标识着放射性物质核内有部分结构解体，同时告诉我们：氦核在放射的过程中没有解体，稳定性极高，核内质子电子首选是结合成氦核。

氦核告诉我们，质子没有携带正电荷，质子间也没有什么介子。而是大自然赋予质子伴生着专门的质子场，这个质子场：1、对所有电子、质子都有吸引力；2、能够定量地吸引电子、平衡电子的场； 3、质子场力没有边界，只能有聚合功能、因而质子的引力场不能屏蔽而只能叠加，由此才有万有引力、才有自然界的万物相聚。

核内质子、电子都伴生着场，蕴含巨大“能力”，有着极强的自组织能力[2]。核子绝不会像红豆、黄豆一样的堆挤在一起。必然会在相互作用中相互调适，形成和谐、合理、节能动态的自组织。氦核结构高效、稳固是核内粒子的首选。除氢气外，核内质子、电子首先是结合成氦核结构，再组合成原子核。

我们再来看看幻数，如果仅仅从原子序数看确实没有什么规律，我们结合原子量一起来看下面数据，就有些眉目了。（括号内是原子量，*是近年发现的幻数）

2（4）、6*（12）、8（16）、10*（20）、14（28）、16*（32）、20（40）、

28（58.96）、50（118.7）、82（207.2）。

大家一眼就能看出上面的一排，括号内的数字就是4的乘法表，原子量全部是n4。说明核内的质子全部是直接构成了氦核，完整、稳固，外来的中子根本不能撼动，所以特别稳固。下面三个幻数的原子量不是n4，稳定原因可以进一步探讨。

数据说明，核内4个质子构成氦核，再结合成原子核，其稳定是自然天成，括号内的质子数正好是序数的两倍，表明核内一个氦核对应2个核外电子。核外电子有能级分层，核内壳层结构也是自然形成。完全不是幻数理论的自旋-轨道耦合、能级的分裂。

当然，核内质子数不可能全是n4，还会有1、2、3个单个的质子。因此核内有1个电子绕1个质子旋转结合而成的中子。单个的中子是不稳定的。常常结构是1个电子环绕两个质子，形式有点像结构元[3]，或者叫核元（图二），中子和核元是核内不稳定的因素。尤其是当原子量很大的重核原子，核内质子太多，加上中子在核内抢位置，容易形成核裂变。

核内的氦核自身又是处在质子的引力和电子的斥力之间，容易对外来中子、核元形成吸引。外来中子、核元也需要结合成氦核，于是在原子核内造成扰动、不稳定，容易形成放射性，甚至造成核裂变，所以造就了高原子量元素的不稳定。

                         图二  中子 核元 氦核以及在核内的分布 

自然存在的最大原子量元素是铀，铀是放射性元素，带来了大量的核内信息，于是，我们据此能够大致判断该原子核的基本性质及稳定性。如：

原子序数92的铀，说明核内有92/2=46个氦核, 占用了其中184个质子。

铀238，238-184=54 ，还有54个质子构成27个核元，均匀分布在Ｏ，Ｐ核层的氦核间隙，所有的质子全部组成各居其位，因而较稳定。

铀235，235-184=51个质子，构成25个核元，在Ｏ，Ｐ核层不能均匀分布，还有1个中子，中子在核元之间乱窜、躁动，搅乱内部秩序，所以不稳定。

因为铀的价电子为3，铀238容易吸收中子，变成铀239，多了一个中子，就又不稳定了。

明确了核内质子、电子首先构成了氦核，这些氦核是怎样在核内排布、运动？壳层结构猜想还是对的，但不是自旋算出来的，是氦核自己排成的。（图二）

氦核是电子、质子紧密旋转结合的四面体，伴生的场相互调适，氦核的四个面可以均匀环绕4个氦核。在这四个氦核的外层球壳面可以均布9个氦核，这样就形成了原子核内氦核1,4,9,…几何分布。

由于每个氦核还需吸引2个核外电子，于是就制定了核外电子的对应排布，是核内氦核的两倍，这就是光谱分析中核外电子的按能级2,8,18…的几何分布，这也是说元素周期表中的核外电子的“能级”和排布是核内氦核自组织的展现。核内一个氦核牵动着两个核外电子，核外电子是氦核手里的风筝，核内核外存在着严格的系统性，核外电子的分布、旋转运动，是氦核在核内早就就已经决定了。

幻数来自实验事实，为我们的核内氦核结构提供了事实依据，还是应该感谢。原子核的氦核结构（1/4/9）不仅与幻数相辅相成，而且与周期表原子核外电子（2/8/18）遥相呼应、珠联璧合。原子核的稳定有大自然严格、简单的数理基础，明明白白的摆在那里，不应该叫“幻数”。

本文重视α粒子在核爆炸时也不分离，抱团、紧扎的事实。拚弃氦核是两个质子、两个中子稀松凑合的观点。依据氦核四面体的几何特征，建立了核内氦核1/4/9/9的分层结构，恰好与原子核外电子的2/8/18/18的能级结构珠联璧合，相辅相成。

这是建立元素周期表以来，首次把核内结构与核外电子排布结合的互动关联探讨，大自然把核内、核外的安排是这么周到、严谨，浑然一体，感叹自然的简捷天成。

科学之路，是一条依据蛛丝马迹实证之路，找到更简洁的描述方法才是上策。越简单、越直接、越接近自然真实。

                         2019/7/27   （yych66@126.com）

 [1] 晏成和，科学网博客《光来自哪里？》

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1116906.html

 [2] 晏成和，科学网博客《化学自组织怎样形成？》

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1138278.html

[3] 晏成和，科学网博客《物质是怎样构成的？》

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1094685.html