结构物理 （三）

视频课 三、物理热学 温度

上两节，介绍了电子价和运转成就了物质的结构及其构成物体的力。物理人早就注意到，构成物体的力不是恒定的，在温度的作用下，物体的结构力会变化，在高温之下钢铁都会熔化。温度在物质的构成中作用巨大，物质结构与温度休戚相关。温度凭什么具有如此神力，热、温度是怎样对内聚力起到如此神奇的作用？相变-水结冰、铁熔化其中的物理过程，是现代科学之谜。所以探讨物质结构之后，有必要讨论物理热学，首先要认识温度。 

 3.1火光光色与温度

小时候玩火，把一根铁丝插入燃烧着的炉火中，铁丝的一端被烧红、发亮，刚拿出炉的铁丝光色黄亮，随着温度的逐渐降低，铁丝的发光逐渐由亮黄变橙、变红、暗红，最后火光熄灭尚有余热，这说明铁丝还在辐射红外光波。

在玩火中，发现光（火）与热是相依相存的。可是进入到本科的物理学习，热学、光学分别是两大分支，各自独立建立两门学科，各研究各的、门阀森严。然而大自然总是把热和光紧密相连，提醒人们用光来研讨热。自然在篝火、蜡烛、在煤炉的光亮中，提示着热学的内在奥秘，火光频率随温度渐变是大自然的提示、是探讨物质内在机制的重要线索，可惜人们熟视无睹。

人们已经知道，光是电磁波，物质的热发光是电子跃迁所发出的电磁波辐射、火光是由绕核运转着的价电子跃迁所发出，不同（频率）颜色的光是由不同速率电子跃迁的结果。物质燃烧发出的光波频率高，实际上是电子跃迁时的速率高。电磁波的频率从微波、红外波、到可见光-赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫……由低到高。将以上几项物理现象联系起来，加以归纳，我们就可以得到下表： 

 从列表(第一行中间，从右到左)我们看到，高温的铁丝光色黄亮，随着温度的逐渐降低，铁丝的发光逐渐由亮黄变橙、变红、变暗、熄灭，其光波的频率也由高逐渐到低。颜色的逐渐变化与电磁波的频率的变化完全对应！物质的温度与其发光频率有着准确的正比关系，这绝不是巧合、是大自然在由此揭示热与光、热与电子的规律运动之间的内在奥秘。

火光实验事实表明：温度高-热发光频率高-来源于核外电子运转速率高；反之亦然。这是大自然蕴含的重要规律，核外电子的运转速率、特性，后果，造就了物质结构、乃至形成相变及一系列物质特性。 

物质的温度与其发光频率有准确的正比关系，是我独立的发现。后来在文献中看到：两百年前德国的研究者已经注意到温度与光色波长的紧密联系，并且在灯丝发光的波长与温度之间建立了严格数学关系式（维恩公式），确认：物质的温度高-热发光的波长变短。可惜，早年探索者没有进一步研讨，火光来自哪里，火光的颜色、频率为何随温度变化？火光颜色与核外电子的运转、跃迁的关系？ 

燃烧的光色、温度、火光频率、电子速率不是孤证，160年前光谱分析实验同样证实了核外电子运转的规律性。光谱分析是把各种元素的物质放到温度极高本生灯中去燃烧，使它们在高温中发光，通过分光镜可以看到其明线光谱。

光谱实验的发光同样是来自元素核外电子的跃迁，谱线数量和颜色，揭示了原子内电子分布的奥秘，经过计算分析，笃定地揭示了电子在核外的能级、个数及规律排布，由此才有周期表元素右边的2/8/18……等数字。光谱实验告诉我们：物质发光与核外电子的运转有密切的物理关系。

物质的燃烧发光和本生光谱发光原理一致，都是来自核外电子在高温下高速运转的跃迁的辐射。同一元素原子在相同温度下发光颜色一致、谱线一致，说明：物质核外电子运动的线路规则、速率整齐一致的，是极有规律的。

百年物理受到电子云理论及后来的波、粒二象性理论、测不准原理的桎梏，强化了电子运动的不可知论，建立了思想囹圄，强迫划界了科研禁区。早年物理学者虽然在温度与火光波长之间建立了联系，可惜未能深入探究，无人敢把火光频率与电子的规律运动进行逻辑联系。

3.2  热是有规律的运动 

百年前，物理人把热发光放在一边，仅仅依据宏观的布朗实验，就下定义：“热是大量分子无规则的运动”。布朗实验，把墨汁滴在水中，墨汁在水中分散作无规则的运动，水温提高，墨汁分散运动加快。于是就有了以上定义。

实验是事实，定义也不错，但是不应该使热学的研究止步于“分子”层面、以液态物质的运动就以点概全，液态分子本来就在进行布朗运动，实验中温度提高、布朗运动加快是现象，不是原因。由此把温度与液态分子扯上关系，是表象、不是本质，不能解读热发光、热相变等现象内在的物理原因。

科研就是探索发现事物的规律，近代物理在找不到准确规律，就以“无规律”一言蔽之。分子的热运动-无规则；核外电子运转是电子云-无规律。这是一种慵懒的科研、弱智的结论。无规则运动怎么能发出有同一波长的火光？无规则的电子云如何能形成与温度-频率完全协调对应的火光？无规则的电子云，如何能形成相变时与温度完全准确的对应？核外电子无规律定论形成了科学研究的障碍，是科学沉寂90年的祸首。

正是由于物质核外电子的运转是极有规律的，速率随着温度变化，大家将会看到凡是与温度相关的物质现象：物质的构成、物质的相变、磁性物质的居里点、记忆合金、超导、超流都是核外电子规律运转的结果。

热和光相伴是大自然的提示、是探索自然物质的重要线索，大自然在明亮的火光中揭示物质的核外电子运转是规律的、速率一致并随着温度规律变化。

随着温度的变化，水在0℃结冰、100℃沸腾，H2O的形态发生了巨大的变化；磁铁的温度到了居里点、磁性消失；记忆合金到了特定的温度记忆发生；超导、超流都是在极低的温度下物质特性发生质的变化。人们只知道这些变化的原始状态和最后的结果，中间的过程、机理是什么？ 

几百年科学工作者前赴后继地猜测、探索，企图破解物质的热变化和热现象，建立了各种假说：有分子热运动、有化学键解体、电子自旋、库柏对、玻色子、费米子……涉及到上十种微观粒子，并且发明了熵增之类的新名词，终不得其解，物质的这些变化就成了自然之谜。

上述,核外电子运转速度与物质温度存在着逻辑关联，那么,物质在温度变化中发生的特性改变就应该是核外电子运转速度所导致。这是个全新的物质物理学概念，同时还带来了物质的内部消息。

归纳一下，大自然让一个小小的电子：

1、携带着电荷、伴生电场，同时伴生着电场力。（金属球实验）

2、与质子定量相互吸引、形成核外电子均布，构成原子。

3、 核内电子环绕质子紧密运转，形成核内微结构。[1]

4、原子之间共享价电子，形成电子的包围运转，构成原子的连接。

5、移动、旋转时产生磁场，同时伴生磁场力（构成金属；促成气体相聚成液体）。

6、核外电子运转速率随着温度变化，形成热能。

7、高温时，核外电子跃迁时辐射电磁波（热发光）。

8、电子受激振动时辐射电磁波（冷光）。

9、化学反应就是物质价电子的分离或结合，构成新的物质。

10、催化、就是改变价电子的速率，使化学反应顺利进行。

11、核外电子运转线路随着温度变化，形成物质的相变。

12、分子的外电子之间相斥，构成气体。

到此，我们可以回答文章开头的天问：热是什么？热是物质的温度、是物质核外电子的速度。温度实质上是核外电子运转速度的宏观表象，电子的规律运转是原子核外最活跃、最积极的因素，核外电子的运转速率、线路随着温度的规律变化，是物质构成及其理、化、生特性的总根源。

3.3几个推论

知道了物质的温度是物质核外电子的速度，凡是物质的温度效应和温度特性、我们都可以在其核外电子的运动中找到原理。于是，我们对与温度相关物质特性（相变、磁性、超导、记忆合金等等）的探讨，就能够单刀直入地检讨其核外电子的运动；凡是与温度相关的物质现象，都可以义无反顾的在电子规律运动中查找原因。

由此，我们能够直气壮地作出一连串的推理。 

推理一、依据：温度——核外电子的运转速度。凡是与温度相关的科学探索，都应该首先思考其核外电子运动相应的速度。研讨物质的熔点、沸点、居里点、超导临界点，都要与该温度时的核外电子的运转相关联。 

推理二、物质的结构，都是在一定的温度条件下的存在，温度变-结构变。所以物质结构的存在，应该是在该温度条件下核外电子运转线路、速率的结果。物质的构成不是化学键，流传百年的化学键理论不是自然的真实。 

推理三、材料的的性能关联着温度，所以也关联其核外电子的线路、速度。这是材料科学的新开端。

金属材料的热处理，是通过温度改变金属材料的机械性能。所以热处理就是通过温度改变金属材料的核外电子的运转速度，从而改变材料性能。

推理四、热可以做功，有一定的能量。热量是核外电子运转所形成的物理量。热量是物理学的多种能量之一，能量可以相互转换，所以，核外电子运转所形成的物理量可以与其他的能量：光能、电能、化学能相互转换。我们就此可以探索能量，解读世纪之问——能量是什么？ 

推理五、热是物质核外电子的运转速度，那么热传递就是传递核外电子的运转速度，也就是逐步改变核外电子的运转速度。热传递有对流、传导、辐射三个途径，所以传热也就是通过三个途径改变核外电子的运转速度。 

推理六、铁磁物质常温下呈现磁性，到了居里点磁性消失。说明磁性与温度相关、与价和电子的运动相关，那么探讨磁性就应该在核外电子的运动方面寻找线索，那些以电子自旋探讨磁性是缘木求鱼。

推理七、化学反应经常是伴随着吸热、放热、爆炸等温度现象，那么化学反应必定与核外电子的运动线路及其速度密切相关。催化就是改变反应物核外电子的速度，达到速度同步。 

推理八、超导发生，物质的温度极低，超导形成时核外电子速率应该缓慢，但是超导电流极大，应该是另有通路。 

推理九、热是物质核外电子的运转速度，那么就可以依据核外电子的速率来检验物体的温度。激光冷却原子、就是把核外电子的运转控制到接近零。 

推理十、纯净物质存在准确的熔点、沸点，说明纯净物的核外电子转速是精准同步的。都与温度有确定、密切的关联，在特定的温度条件下同步发生相变。

  推理十一、气体的形成与温度直接相关，那么，形成气体的相变也与核外电子的运动相关。

 推理十二、高等动物，身体恒温。说明其细胞、DNA碱基的电子速率稳定很重要。

随口一说就有12条之多。当然，这12条远远不是全部，还有超导、超流、脆性、塑性等等几乎所有物质特性都与核外电子的规律运动相关。大自然让核外电子伴生电磁波与外界联系、交流互动，构成了物质各种性能。同时也形成了：

两种发端于电子的原始力——电场力、磁场力。

以上与温度相关的物质现象，都可以目标明确的在电子规律运动中查找原因。 “温度-电子运转速度”提醒人们：研讨核外电子的规律运动，是破解物质特性及其变化的关键。物质的热现象都是核外电子规律运动的结果，凡是与温度相关的科学探索都应该首先联系核外电子运动进行思考。

 科学的本质是探索、探索的依据是事实。科学理论的基础必须来源于事实、忠于事实。大自然在热与光的事实中指引我们，在探讨联系核外电子规律运动，使众多的科学之谜迎刃而解。