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结构物理 (一)
视频课一,原子之间的连接
从我投稿第一篇创新物理文章算起,我独立探索物理已近40年,我不是学物理专业的,而是源于少年时的好奇和兴趣,以质朴的思路、独特的视角来揭示自然真实的物理。从宇宙天体到微观物质告诉我们:自然世界是运动的、构成的,因此,万物之理-物理必定是运动的、结构的。物理学的研究,不仅仅是传承、更应该是对物质的基本构成和运动进行思考。
一、 原子之间的连接-价和运转
物理、万物之理,理当来自于万物。科学先贤已经为我们开辟了元素周期表,所有物质都是由质子、电子构成。近一百种原子的能级结构有光谱实验的佐证,堂堂正正的排列在周期表上。可是原子间如何连接、如何构成物质?成为研究者首当其冲、直接面对的问题。不在意量子理论、不附和粒子物理、量子场。只是从本源上关注物质的原始构成及其运动,探索物理特性,这就是第一性原理。
早年权威学者猜想出了化学键理论,开始是三种、后来陆续增加到七八种,可还是不能全面地解读各种原子之间的连接;更不能解读相变时僵化固定的化学键是如何变化?化学键的基本理论-电子偶合,与电子相斥的主要特性完全格格不入。大自然不会自相矛盾,在相斥的电子之间再弄一个电子偶合。(图1)
图1 近代教科书上的电子云成键
化学键的败笔就在于;完全找不到原子间的结构原因、结合逻辑、及结合力,忽视核外电子的运动及其运动后果,把原子外电子的分布看成一成不变的定势,看到原子边上全部是电子、就把相斥的电子说成是偶合、把斥力说成是结合力。造成相变等后续的理论探索无门;化学键理论繁琐、矛盾重重。那么,原子之间是怎样连接的呢?(两个人的结合不是边上有手,而是发自于内心)
原子间的连接-结合是普遍存在的,我们先来看看原子之间的不连接-惰性气体的形成。除氦气外,所有惰性原子外围是8个价电子呈球面包围运转着,肯定会与相邻原子的外围电子相斥、撑开距离,于是,形成比液态分子距离大10倍、体积大近1000倍的分子气体。氦气虽然只有两个价电子,但是这两个电子速率极高缠绕运转着也能呈球面包围,形成气体。惰性元素告诉我们,外电子饱满(像蛋壳)整体外包围,造成外电子的相斥、撑开距离,是形成气体的必要条件。
除了惰性气体外,还有氢、氧、氮气,这些两个原子结合起来形成了气体。我们先来看简单的氢气,氢气分子只有两个电子,能够形成气体,肯定是有电子的外包围,只能是这两个电子包围在两质子之外、形成缠绕式椭球形的高速运转;才能形成分子之间电子相斥、形成空间距离很大的氢气;完全不可能是原子之间的电子偶合-化学键。
氧气、氮气的核外电子较多,能够成为分子气体,肯定是有电子饱满包围在分子外。作用过程是:原子核内的质子场对周围物质、对电子的引力没有边界,超出原子、向外无限延伸,两个原子相互吸引对方的价电子,形成共有的价电子包围在两个原子核心(原子实,即不包含价电子的原子)之外、呈椭球形运转,如同一个个双黄蛋,外表面电子的运转如同电子蛋壳相斥,方能形成距离很大的气体分子。
原子之间的连接,是原子构成的继续。原子核对周围物质、对电子的引力,成就了电子的环绕运转、是物质构成的主力,是最强大、最基本的聚合力。注意!原子核的聚合力是没有边界的,这是个引力场,不会到了原子边缘就嘎然而止,而是超出了原子、向外无限延伸,原子之间的结合就是运用到这个基本聚合力。
原子核引力向原子外的延伸,首先遇到的是相邻原子的价电子,这是第一个“猎物”,但是原子核与核外电子数是有规定的,猎物不能收纳,只能暂时显示原子核的能力。相邻原子也有此能力,也能够吸引对方原子的价电子,尤其是在自身价电子也将成为邻居猎物的时候。于是,两个原子相互吸引对方的价电子,形成两个价电子环绕两个原子旋转、抱团是和谐共处的最佳方案,也就成为原子间联系、结合的最佳选择。
自然原子最明显的结合就是分子,我们注意到:大气里的氢、氧、氮气等同种元素的原子,它们总是两两牢固地结合成分子,在化学方程式中,氢气、氧气也要写成H2、O2,这是同类原子的两两结合。问题是这两个原子是怎样结合的?是化学键-电子偶合、还是另有蹊径?在常温下,这些分子结合总是呈现为气态。我们就来看看这些气体分子中的两个原子是怎样结合的?
电子的运动是物质中最明显、最活跃、最有作为的存在。但是电子如何运动、怎样作为?却是未解之谜、令人困扰,不妨迂回到大自然的基本状态进行探讨。
从核外电子2/8/8的分布、从惰性原子表面布满了价电子且相态都是气体,证实了电子之间是永恒的相斥。那么,化学键的理论依据-电子偶合,不是自然事实,只是个主观、不切实际的臆想。没有化学键,原子之间是如何连接、结合?我是从气体的特性来思考原子之间的连接。
气体的存在是:原子相互吸引对方价电子、形成共有价电子高速密集的运转,呈蛋壳球面包围两原子实(除价电子之外的原子体),球面电子与电子相斥,方能推开距离、形成气体。这种形成共有价电子的运转是原子结合的最基本的方式,会保留在液体、固体之中。
我初中是化学课代表,几十年思索:氮原子5价、氧6价,只相差1个电子,氧气为什么活泼、氮气为什么惰性?耿耿于怀几十年,一天,从化学键的阴霾中突然醒悟,对气体的形成有了独立的见解:相同元素形成的气体分子,一般是由两个原子紧密连接构成独立的整体,图2是氮气、氧气的核外电子分布示意图。共有价电子环绕两核心的运转促成两原子的结合、构成简单、普适的原子连接,把质子对电子的引力发挥到极致、也构成了两原子的结合力。
图2 氮气、氧气分子结构示意图
同一种原子结合成气体分子,是两原子实的靠近,所有的价电子共有、包围两个核心重新排布、形成新空间的价和运转。例如氮气,5+5=10个价电子围绕两核心、遵循核外电子的排布规律2/8/18重新安排。于是这10个价电子按2/8规则排布,(如图2左)形成了外层的8个价电子,这正是氖的价电子排布!于是氮气也就有了惰性气体氖的特性,或者说氮气是分子态的氖,惰性十足。
两个氧原子结合成氧气,6+6=12个价电子围绕着两个核心,12个价电子只能排布成为2/8/2(如图2右),最外层只有2个电子,形成了活泼元素镁的排布(回忆镁燃烧、镁光灯),加上气体核外电子的空间大、运转速率高、可塑性大。于是氧气的活泼性愈发无与伦比,可以说氧气是分子态、气态的镁,其活泼性质登峰造极,氧化也就成为了自然界的最普遍的存在。
可见两原子的结合成分子是价电子包围运转的作为,没有电子云的重叠偶合、不存在什么化学键。用图示的分子价电子共享包围,解读了氧气活泼、氮气惰性的百年科学之谜;事实上的氧气活泼、氮气惰性,也证实了我的构想,原子间的价电子共享包围运转的真实,是合理存在。今后,化学老师可以逻辑明晰地告诉学生氧气活泼、氮气惰性的原因。
气体分子的构成是原子相互吸引对方价电子、形成共有价电子环绕两核心、把原子全面地包围方能外围电子相斥、形成气体。共有价电子环绕两核心的运转,促成两原子结合。这种价电子共享运转的结构简单、高效,自然会存在于固体、液体物质的联系之中。
见(图3左),我们把共有价电子包围着两个核心、促使两核心紧密结合的运转叫做-价和运转;把价和运转所包围而形成的紧密整体叫做-结构元;把参入价和运转的电子叫做-价和电子。价和电子的价和运转是原子之间所有的连接、构成实体物质、构成晶体乃至构成液体、气体的重要的物理原因。
图3 原子之间的结合-结构元(红色球是原子实)
所有金属、非金属、化合物都是由价电子价和运转所连接形成。首先两原子由价和电子运转形成结构元,然后结构元连接构成万物。大自然的法则就是充分利用其存在和运动,构成其结构和特性、简单有效。应用价和运转还能够方便地解读金属的延展性、合金的形成,以及非金属材料的脆性。加上电子运转速率、线路随着温度的改变,就能够顺理成章地解读相变。
共有价电子环绕运转让两原子紧密结合,把质子对电子的吸引力发挥到极致、也构成两原子的结合力。可见两原子的结合是价电子包围运转的作为,不存在电子云重叠而偶合,没有化学键什么事。原子有几个价电子就能够构建几个环绕的结构元,图3右就是4价晶体的一个中心原子所构建的结构,然后以周边原子为中心,再连接3个结构元,如此连续展开,形成4价晶体(如,硅)的晶体结构。
如果按化学键理论,价电子都是在两个原子中间“偶合”,不能全方位包围两个(数个)原子,所以不能构成电子壳层、也不能形成气体。如果笃信键理论,除了惰性气体,氧、氮、氢气、二氧化碳等气体统统都不可能存在,地球上就没有大气层!外电子整体外包围是气体形成的必要条件。
所有气体、包括多个不同元素的气体,如:水蒸气、二氧化碳、甲烷等等,不管你是什么键、也必须是共有的价电子在外、形成壳层,要不然它们不会相斥、飞不起来,能飞起来气体都是由于有价和电子高速运行形成的球面。
这种公用价电子的包围运转是原子结合的最重要的运动,这种运转符合自然物质存在事实,能够实现相同和不同原子之间的结合,取代:金属键、共价键、离子键……等等所有化学键的全部功能;价和运转所形成的力就是价和力,可以取代:色散力、诱导力、取向力等等四五种分子力;价和运转还能适应:固体、液态、气体的各种相态的结合,并且能合理解读相态的变化(相变)。
原子结合成分子是价电子包围运转的作为,没有电子云的重叠偶合、不存在什么化学键。化学键理论发韧于200年前,不断地修补传承。但是对核外电子的运动回避、放弃了“运动-后果”的自然铁律,猜想牵强;化学键面对相变哑口无言、导致研究进展困难,不符合事实的理论肯定是要下课。
2021/4/22
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