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物质探索的初心和独立的深入思考

已有 1840 次阅读 2022-2-2 17:14 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

       我博客的物理思考小结

                        晏成和

 我的物理探索和思考是从小学装矿石收音机开始的,当时要弄到铜线做天线很困难。心想,为什么偏要用铜线?用铁丝为什么不好?有一本做矿石收音机的小册子,但是没有讲无线电波是怎样钻进天线,怎样在铜线里跑?麻绳为什么不能做天线?

初中,物理老师提出了人类面临最基本、最迫切想知道的世界之谜:水是怎样变成水蒸气?温度怎么能导致相变?火为什么是红的;白炽灯是热发光;雷电来自哪里;汪老师还演示了金属的延展性、吸铁石产生磁场,但是原理还不清楚,希望我们将来能够解答这些问题。

化学课,老师讲到物质的结合和变化、讲到化学键,我想:金属内,自由电子既要成键、又要导电,其内部的电子是如何分工、原子之间是怎样连接?惰性元素为什么都是气体?氧气为什么活泼、氮气为什么惰性;催化原理也是我待解的科学之谜。微观世界引人入胜的神奇深深地吸引着我,初生牛犊建立了探索科学之初心。

在那个讲究家庭成分的年代我没能上高中,上技校学木工,对斧头、刨铁的“钢火”印象深刻;毕业后当机械工人,我看到钢淬火之后硬度极大的提高;刀具切削金属的原理是什么;热处理是如何改变物质性能?加深了我对微观物质的兴趣。受工伤后自学了逻辑,能比较自信、理性地继续自己的独立思考。

78年上大学工科,能够阅读大量的学术资料,感觉有许多的理论牵强、还不如我自己的思考和顿悟的合逻辑、有道理。科研,首当其冲是求真,探求物质真实的存在、真实的联系、真实的运动。如此才能研究真问题,得到真凭实据,学者才能得出真知灼见,有真才实学。

从原始事实出发,广泛、多视角地进行锲而不舍的观察和深度思考,是我简单顽强的科研方法。

元素周期表清楚的告诉我们,大自然所有的原子只是由质子、电子这两种基本粒子构成,然后才构成世上万物,此二子是科学事实的发生源、是根本,我们的科研思维只应该在这两种粒子基础上做文章。仅仅是价电子个数就把原子划分为性能迥异的金属、非金属以及惰性元素,那么,价电子及其运动必定是物质构成、特性形成的最灵动、最关键的因素。

前两篇博文从惰性元素都是气体的事实,证实了气体的形成是外围电子相斥所起的作用。分析:氢气的形成,两个电子呈球面的包围运转是生动的画面;价电子呈球面包围运转是气体形成的充分必要条件;氧气、氮气、水蒸气概莫能外。从此推理到:原子的基础结合,起始于价电子的包围运转(价和运转),逻辑清晰,否定了化学键偶合理论,意义重大。

 

氧气活泼与氮气惰性的感悟[1]

我初中时代的质疑:氧气的异常活泼与氮气的古板惰性分别是来自哪里?经过长期的琢磨,运用价和运转有了解读,深思、建立了以下的分子-大原子图画。

同一种原子两两结合成一个气体分子,必须是:共有价电子包围两个核心形成空间运转。例如两个5价的氮合成氮气分子:原子核和内层电子(原子实)维持原状,还有10个价电子共有、按原子的核外电子2/8/18的规律排布,于是共有的10个电子围绕两个核心只能按2/8的规则排布(如图一左),内层2个电子、外层8个价电子,这正是惰性气体氖的价电子排布,于是氮气也就有了氖的惰性,可以说氮气是(两原子)分子态的氖,当然是惰性十足。

氮气2.png

              图一 氮气的惰性与氧气的活泼

两个氧原子结合成氧气(图一右),共有的12个电子只能按2/8/2规则排布,形成了活泼金属镁的排布(大家回忆镁燃烧、镁光灯),加上气体核外电子的空间运转的高速率、可塑性。于是氧气的活泼性愈发膨胀、无处不在,可以说氧气是分子态、气态的镁,其活泼性登峰造极,氧化也就成为了自然界的普遍存在。

以上氮气、氧气的价电子排布,来自于元素周期表电子排布规律的推理。事实上氮气惰性、氧气的活泼,与自然事实全面相符。成就了双原子气体价和运转的猜想,证明了猜想的正确、令人心悦诚服。若是用化学键的猜想、用偶合来安排氧气、氮气的核外电子,无论如何也得不到如此圆满的解读。

由此确定了原子之间结合成分子的基本形式,必须是价和电子的包围运转,物质才能形成气体;并且液体、固体的结构是这种价和运转的继续。原子之间的结合涉及到:价电子的个数、电子运动的线路、速率。这是物质物理的纲!近代科学沉寂是因为量子物理放弃了这个纲。


原子结合-结构元

价和运转涵盖了各种同类和不同(所有的)原子之间的结合,并且能够解读它们化学变化、催化原理,以及相变原理。解脱了化学键理论的束缚,价电子的价和运转是原子结合的本源。把价电子的包围两个核心运转整体叫做结构元(图二中),然后由结构元有机结合、成为金属或非金属-构成万物。

金属元素价电子少,只能结合成一两个结构元,结构元之间靠价和电子运转产生的电磁力结合成金属结构,(图二左,上下两个结构元由电磁力结合)因此,金属结构元在强大外力下可以少量移位、还能够重新磁性结合,由此也就有了金属延展性。

image.png

图二 结构元及晶体结构(红色圆代表原子实)

 

非金属原子有几个价电子,就能够与周边几个原子的价电子结合成几个结构元,(图二右)是硅晶体的结构示意图。当硅的一个结构元破坏,会影响其它三个结构元……形成连锁效应,形成非金属物体的脆性。

离开结构元、离开核外电子的规律运动,物理学不可能完整描述物质的构成,强度,脆性、延展性等各种整体性能。[2]

温度的作用

结构元连接了原子,形成了物质结构。可是这个结构不是一成不变的,随着温度的变化、物质的结合力也会发生变化。所以温度变化,物质能够发生相变、水能够结冰、钢铁能够熔化。温度是什么?在相变中温度是怎样发挥作用?

在火光中,发现大自然总是把热和光紧密相关,提醒人们用光来研讨热。

 把一根铁丝插入燃烧着的炉火中,铁丝的一端被烧热、发光,刚拿出炉的铁丝光色黄亮,随着温度逐渐降低,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,说明铁丝还在辐射红外光波。温度逐渐降低、光波频率亦逐渐下降,内因是什么?

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:   

火焰颜色:

暗红

蓝白

白(青紫)

光波频率:×10^14 Hz

3.8

4.8

5.0

5.2

6.2

7.5

火焰温度:×100℃

2.2

5.5

7.6

8.8

14

22

核外电子速率:

←—低—————————高—→


   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!由此揭示热与光、热与电子的规律运动内在的奥秘。
 

 热发光事实说明:电子的运转速率是在紧随温度而变化。温度由高到低——电子速率由快到慢。于是,才有我们眼里的这由橙到红,由红变暗;反之,当温度升高,核外电子的速率加快,大自然的温度场藏身于核外电子的运动之中。

价和电子随着温度的运转的速率导致线路的改变,直接解开了物理学之谜-物质的相变:温度高价和电子球面运转-气体;温度较高价和电子带状运转-液体;温度低价和电子平面运转-呈现固体(图三)。说明核外电子的运转线路、速率至关重要[2].

image.png

(1)固体-椭圆       (2)塑性-窄带    (3)液体-宽带状     (4)气体-球状 

                        图三 价和电子运动的线路与物质的相态  

结构元、价和运转确定了核外电子的规律运动,构建了原子的连接物质的构成。左右逢源地解读了诸多物理、化学现象,解答了一些科学之谜,令人豁然开朗。物理人还将看到,电子的规律运动在整个物质物理学中巨大作用。流行二百年的电子云理论以及百年以来的量子理论对电子规律运动的禁锢是违背科学的;探讨核外电子规律运动篤定会成为科学探索的新热点。(量子理论的波变成粒子、粒子成波的坍縮、纠缠,至今没能交代)

 

超导的原理

 超导与温度密切相关,首先应该在温度、在热学上找答案。上述文章谈到物质核外电子的运转速率随着温度变化,温度高——核外电子速率高;温度低——核外电子速率降低,那么,超导时候核外电子速率一定很低,这个速率低与超导有什么关系? 

超导电阻为零,说明价电子的运动阻碍消失;然而超导电流强大,说明价电子运动没有停止。这个矛盾怎么解读?价电子是强大电流的参与者,于是超导的机理显现端倪。 

超导原理是:在很低的温度下,物体的核外电子速率降低,达到临界温度,价电子运转速率越来越低。核心习惯于高温下的核外电子快速运转,价和电子的运转缓慢,造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用相邻核心的价电子,相邻核心又挪用,所有的核心都向某一方向近邻挪用,于是形成外层电子公用。这种核外层电子公用的状态就是物质的超导态,核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。 

核心把公用的电子流当成自己所需求的核外电子,用核心的库仑力(原子核吸引核外电子并且使电子绕核运转的力)去输运它,让其在自己身边流过。这样,每一瞬时从核心身边流经的电子较多,部分地满足核心对电子的需求。

核心把外来(公用)的电子流当成自己所需求的电子一部分,用核心库仑力去顺势输运它,于是超导电流不仅不受到阻力,而且还获得了一份来自核心的输运力。在原子库仑力的接力输送下,电子畅通无阻,形成了电阻为零的超导现象。

正是因为超导电流获得了核心的输运力,所以它能像常态的核外电子那样永恒不断地运动,流速均衡、电阻为零,保持永恒电流。超导发生是大量的电子群集流动。大量电子的定向运动,伴生很强的电磁波,伴生着极强的磁场。

超导时大量电子在核心边均衡、畅通地流动,形成了核外电子的组成部分,外磁场会干扰超导电流的定向运动,所以超导电流伴生的磁场必须把外界的干扰磁场抵制在外,于是就形成了很强的抗磁性。

超导的发生,是在极度低温下,核心挪用相邻核心的价电子,形成了价电子整体共享公用,于是预言,让超导材料提前携带正电荷(缺少价电子),能够让挪用提前发生、即提高临界温度。

后来报有道:由日本、英国和美国的研究人员组成的团队的最新研究发现,这个团队首次添加了一个掺杂因素以提供额外电荷,超导提前发生。详细研究发表在《科学》杂志上。

质疑自由电子

小时候的疑问:无线电波是怎样钻进天线,是怎样在铜线里跑?现在这个现象越来越明显,每天,有上千万比特的信号波进出手机,信号波在导线、在芯片里畅通无阻,其中的物理原因是什么?物理学应该给人类一个回答。百年前的物理学理论:金属体内充满自由电子,可是这自由电子与信号波进出手机的事实格格不入,金属内究竟是电子还是其它的什么传导电磁波?

百年前的金属键理论,“自由电子”既要导电、还要成为键;上述金属结构元圆满的回答了金属结构及延展性,可是,没有自由电子金属拿什么导电呢?我冥思苦想,在一个下雨天,我盯着雨水在院子里蜿蜒形成了水流,我突然惊鸿一瞥-流通!

我的觉悟是:金属能够传导电流,是因为金属物质的原子的价电子较少,外电子层不饱满,存在着电子空位、通路,存在着电压波(一定频率范围的电磁波)能够在其间传导的流通通路,首先是导通电压,在电压波作用下,物质内的电子在连成回路的通路间换位移动,形成电流。

无线电波、手机4G/5G信号,就是能够进入金属空位、并且在空位里流动的电磁波。电流和电磁波信号都是由于金属内存在空位、形成流通。

流传百年的自由电子导电理论,交代不了这个“自由”的来历和赋予其“导流子”的逻辑,也解读不了导体电阻;解读不了半导体导电。自由电子理论牵强应该反思,现代物理再也不能拿这些不合逻辑、人云亦云的东西误导我们的孩子。

 

原子核内结构

在本生灯的高温之下,各种元素发生各自的光谱,在光谱分析中得出:核外电子是按能级在核外均匀分布,每个能级按2/8/18…的电子个数规律排布笃定、简洁天成,原子核和高速运转的核外电子的规律排布在科学界得到确立。

原子核内是什么结构?是大自然最高机密,通过对α射线研究发现:核内质子首先是2个电子环绕4个质子构成氦核(图四),再由氦核结合成原子核,氦核是简单的四面体,在四面体表面仍然存在质子引力、电子斥力,决定了核内多个氦核的规律分布,不会是质子、中子简单的混合堆积。

image.png

图四   简单四面体的氦核结构

 

在原子核内,以一个四面体氦核为中心,向四个面的空间扩展,分层连接更多的氦核,形成了氦核的1/4/9…分层环绕结构(图五下)。一个氦核可关联2个核外电子,这正好与核外电子能级电子数2/8/18…内外呼应。为原子的核内结构与核外的能级结构的紧密关联找到了逻辑依据。

image.png

图五  中子 核元 氦核以及在核内的分布 

利用以上的模型,不仅能够对解释已有原子结构模型能解释的实验结果,而且可以对幻数实验结果和放射性实验结果等进行了合理的解释,证明的该原子结构模型的合理性和有效性。建立了核内核外的关联联系,为核外电子按能级2/8/18…规律分布找到了内在关联和依据。

当然,原子内还有非幻数的存在,即原子核中还存在中子或核元(图五上),这两种结构在核内是不稳定的因素,是核衰变、裂变的肇事者。

 

以上,简要介绍了我对物质物理的深入思考,虽然独辟蹊径、但是紧扣事实、符合逻辑。符合对科学猜想、创新理论检验的6条标准:

1、符合事实,因为科研是为了解读自然,来源于事实、所以理论必须可以证实或证伪,和事实不能有矛盾。

 2、简约性,新理论中涉及的逻辑关系越简约,表明该理论的科学性越强,正所谓大道至简。(一个结构元理论,顶替了七八种化学键)

3、解释力, 核外电子规律运动,全面地解释了物质的力、热、光、电、磁,并且解释了低碳钢拉伸曲线、雷电的形成……破解了一些自然之谜。

4、应用性, 知道了原理,有了解释,就能够有适用,并且人们对有些特性早就有了实用,如合金、趁热打铁、记忆合金、提高超导临界温度、隐身涂料、多频雷达等等。

5、互洽,只有从各分支、多个视角全面揭示该物质内在机制和本来面目,才是殊途同归、互为诠释的互洽。互洽是检验物理学理论是否真实、正确的重要指标,是探索者追求的极致。所谓的自洽是以摸象人的表述而沾沾自喜、是自欺欺人。

6、有后来,正确的理论,反映了自然真实,人们可以在此基础上继续开拓知识的边界,拓展一个个更加广泛的领域,这就是有后来。当今科学几十年沉寂,就是难以开拓后来。

以上6条标准,条理清晰,易于操作,能够判断理论的正确;人人可以用这些标准结合事实进行检验,并不需劳驾高高在上的共同体来裁判。走红了90年的量子理论,以上6条都是欠缺的。

2022/1/31

 

参考资料:

[1],晏成和,气体的活泼与惰性 科学网

[2],晏成和,物质是怎样构成的?(二)科学网

[3],晏成和,温度是什么?科学网

[4],晏成和,相变之谜,科学网

[5],晏成和,超导理论的科学性科学网

[6],晏成和,物质的导电原理,科学网

[7],晏成和,雷电是怎样形成?,科学网

[8],晏成和,天空为什么是蓝色? 科学网

[9],晏成和,反思——科学创新的从头越,科学网

[10], 晏成和,光电效应——光不是光子,科学网

[11],晏成和,谈量子力学的逻辑,科学网

[12],晏成和,原子核内、核外的关联结构,科学网




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