四面体与微结构构成的原子核

原子核内部的奥秘

晏成和

本文记述人类对原子核钻研的艰辛历程、疏忽与失误，思考的逻辑、发现的趣味。

*人类对原子核及其内部结构的研发历程。

20世纪初，人类已经发现了40几种原子，但是关于原子有没有内部结构、有怎样的内在结构，仍是茫然。原子已经是非常渺小，要探索更小的原子的内部，早年的科研只能是投石问路：卢瑟福用α粒子射向金箔，发现大多数粒子穿金而过、几乎不发生偏转，但有极少数α粒子会发生大角度散射，甚至有的被反弹回来。

这样的结果表明，物质（极薄的金箔）内在的微观结构不是均匀的：金箔绝大部分区域是空空荡荡、粒子一穿而过，金原子绝大部分质量和正电荷应该均匀分布在非常微小的点中，即后来被称为原子核上。于是建立了有核式的原子结构模型，即卢瑟福的行星模型：

在原子中心有带正电荷的核，电子绕核运转在较大的空间。后来发现了原子量准确数据、制定了周期表，原子的99.95%质量集中在原子核的内部，这是对原子结构探索的重大突破。但是，囿于质子、电子的正负电荷理论，不能解释电子为何不坠入核中的问题 [1] ，比较接近事实的行星模型受到学界的质疑，没能发扬光大。

由此，在原子核内部的粒子（质子、电子）是怎样的方式结构、怎样运行？成为了大自然的最高机密，是科学攻关的重大课题。原子核内会是个什么样子？行星模型之后，各种原子核结构学说应运而生。

液滴模型：依据核裂变、核爆炸的事实，一颗原子核可以裂变、成为两个或者多个新的原子核，这有点像水滴或者是水银珠，可以分离成为几个更小的完整的珠体-大原子核能够分裂形成几个新的核心体，然后吸引相应的核外电子构成新的原子。

这种核液滴模型依据自然液态物质的分离、重新建立了边界、形成新核心，组合成为新的原子，形象、自然。借鉴性的启发，能够获得学人的理解和认可。但是对于核衰变以及其他核现象解释无能为力，止步在核裂变。 

壳层模型：德国核物理学家麦耶和简森效法核外电子的能级结构、建立核内壳层模型，他们提出核子在原子核中填充不同的能级壳层。用轨道和质子自旋作用来解释这种现象，是描述原子核内质子和中子排列的一个成功模型，他们由此而获得 1963年诺贝尔奖。

这个模型能够解释原子核的稳定性以及幻数现象，即某些特定数量的质子和中子会使得原子核特别稳定。但是他们强调，核内壳层结构并不是粒子空间分布，而是表示核子的能量分布，以空间概率来表示。这样的表述，核内壳层按结构分、但是又没分开，不伦不类。所以现在的核物理并没有采纳麦耶和简森的壳层结构，还是认可核内质子、中子像图一那样的混合成团的核内结构。

               图一 现代物理教科书的原子核结构（图形来自百度）

*探讨核内结构的契机和思路

行星模型、液滴模型、壳层模型的多种猜想描述了原子核的形象，但是仅能对核裂变有肤浅的解释，对放射性、核衰变、半衰期、幻数、稳定性、巨大能量等等核现象的认识茫然、解读无能为力。所以，7 年前美国田纳西大学的王令隽教授写下了《致中国物理学界建议书》，说核内是一片未开垦的处女地，引领我们探讨核内。

得益于对物理第一性的感悟，和对质子、电子及其伴生场（波）的理解，对放射性元素辐射出的α、β、γ三种射线的事实进行剖析，对自然界不存在游离质子的事实，有了对核内质子和电子首先结合成微结构，然后分布成壳层的构成联想和感悟，提出了核内结构模型——核内微结构与核外电子关联模型。

核内外关联模型：

关联模型的研究是从放射性物质的核内辐射出三种射线开始的。

α射线 由4个质子2个电子组成-氦核。2 个电子以极高速率环绕 4 个质子旋转，稳固、结合能极大。说明原子核内的质子、电子是以这样的微结构动态地存在着，非常稳固，就是核爆炸时氦核也不分离。

β 射线 就是辐射的电子流。说明原子核内存在运转着的电子、存在着微结构，核内某些电子运转的结构解体，电子被高速辐射出来。

γ 射线 频率极高的电磁波。由核内电子高频振动发出，说明在核内存在着运转速率极高的电子包围运转的结构解体，辐射出高频γ射线。

三种射线带来了核内信息，说明核内的质子、电子以微结构的形式存在着，4个质子的氦核非常稳固，整体辐射；1,2个质子的核元、中子不怎么稳固，在辐射之前就已经解体、成为电子和高频电磁波、分别辐射出来（如图二），其中的质子去了哪里，另题讨论。

            图二 核内的微结构 中子 核元 氦核

除了三种射线，“幻数”实验也带来了核内重要信息。

为探索原子核内秘密，研究者用中子作炮弹，分别对所有元素的原子进行轰击，在这系列的轰击中，有的原子作出了明显反馈（辐射出射线），有些元素却很顽固，对大力的轰击无动于衷。实验总结发现，原子序数为 2、8、14、20、28、50、82…数值时，原子核特别稳定，被学界称为“幻数”。轰击也是一种投石问路，可惜几十年没有对幻数的结果进行认真、全面的分析。

幻数实验经过了80年、已经销匿，经朋友推荐才看到，一组数据，平淡无奇。一天突发奇想，查找幻数元素所对应的原子量，加入其中、列表，再看下面数据，就有些眉目了。

前面是幻数的原子序数，* 是近年发现的幻数（括号内是原子量）

2（4）、6*（12）、8（16）、10*（20）、14（28）、16*（32）、20（40）、28（58.69）、50（118.7）、82（207.2）。

请注意！再看看上面一排括号内的数字，幻数元素的原子量全部都是 nx4，几乎就是 4 的乘法表！这是大自然在告诉我们：稳定元素核内所有质子全都构成了氦核，没有核元或中子，全部由氦核构建的核内结构、铸就了原子核的稳定，外来中子的轰击根本不能撼动，所以特别稳固；同时告诉我们，造成核内不稳定的是中子与核元，这就是幻数实验数据揭示的核内奥秘。

我向AI报告了这一发现，他开始给予了肯定，可是之后还是重复：氦核是两个质子、两个中子——为什么就不认可氦核整体？看来AI也有一个接受过程。

可能是我教了多年的制图，对2个点-线、3个点-面、等距4个点-四面体，烂熟于心，氦核4个质子，最紧凑稳固的结构必然是构成基本的体-氦核四面体，外围两个电子缠绕包围（因为4个质子紧密结合的四面体，体积极小，外围2个电子的运转速率极高，电子运转产生磁场、并且有磁滞，让立即过来的电子在磁滞中偏移原来的轨迹，二个电子在运转中不断地偏移，所以运转线路像是在缠绕，形成球面包围），所以非常稳固。

核物理探索的两个重大实验——α射线、幻数，直指氦核的稳定性，可是百年来研究者忽视氦核结构在核爆炸时也不解体的重大物理事实，迷信之前的权威，用两个质子、两个中子的思维定式替代四面体的氦核，歪曲了自然真相、阻碍了科学发现。

一个氦核四面体居中，四个面分别对应吸引四个氦核，然后外层再吸引9个氦核均布，构成了核内氦核的1/4/9…分层环绕结构。一个氦核的质、电子不平衡、还可关联 2 个核外电子，这正好与核外电子能级排布 2/8/18…内外呼应。为原子核内分层结构与核外的能级结构的内外关联找到了逻辑依据。

幻数原子内纯氦核是原子稳固的基础，非幻数的原子是因为核内夹杂了中子、核元等微结构，构成了原子核的不稳定。有了核内微结构及核内外关联的思维，原子核的裂变、衰变等核物理性能都能够迎刃而解。之前的投稿文章已有论述，在此不赘。[2]

利用以上核模型，还可以合理解释幻数实验结果和放射性实验结果，印证了核内结构模型的合理性和有效性，还能解读核裂变发生的原因，解释各种放射性元素的衰变原理、及半衰期存在巨大差异的原因；建立了核内氦核1/4/9与核外电子2/8/18的逻辑关联；能解读幻数、原子稳定性的原因、核内巨大能量来源等诸多核现象存在的原因。

                          2024/9/6

[1] 晏成和  科学网博客  《原子是怎样构成的》

https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1097295.html

[2] 晏成和  科学网博客  《原子核内外的关联结构》

https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1191486.html