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<<电磁大厦建成了吗?.....>> 论原子的电性 ---原子带有<两种等量异号>电荷的理论依据和实验支持 摘要：原子是构成物质的基本单位，在科学的不断发展过程中，人们对原子有着越来越深刻的理解和认识。原子由带正电的原子核和带负电的电子组成，两者达到能量平衡是学界的一个基本常识，然而原子是否带有<两种等量异号>电荷呢？本文就此论点在现实试验中如何可以证明及其实践意义做出探讨和研究。 关键词：原子, <两种等量异号>电荷, 叠加静电场 众所周知，原子是化学变化中的最小微粒，并且在化学反应中不可分割。原子由质子、电子、中子组成。原子的质量非常小，并且其质量几乎全部集中在原子核部分。原子核外是电子，电子分布于稳定的轨道之中。原子在古希腊时期被用于哲学本体意义上的抽象概念，在后来人们认识的不断发展过程中，逐步演变成为科学的理论。然而，原子是否带有<两种等量异号>电荷，这个问题需要我们加以研究和探讨。 一、原子带有<两种等量异号>电荷理论的历史衍变 人类并不是生来便了解物质是由分子和原子构成的，他们对原子和电子的认识是一个渐进的过程，而认识到原子内部有带正电的原子核和带负电的电子的理论也是由无数科学家经过长期、艰辛的实验才得出结论。 早在公元前400年，古希腊的德谟克利特就提出了原子这一概念。随着时间的不断推移，科学家对原子的理解有了更深层次的发展。1803年，英国自然学家道尔顿首次提出了原子说，他用原子的概念解释了为什么不同元素总是呈现出整数倍的反应，同时也解释了不同气体在水中不同溶解度的原因，从而指出每一种元素只包含唯一一种原子，而化合物正是由原子组成。从而揭开了正式研究原子的序幕。之后很长一段时间人们都认为原子便是物质的唯一构成单位，而原子也是一种非常微小的实心玻璃球体，此外再无他物。 1827年，英国植物学家布朗在观察水面上的灰尘时，发现了灰尘在进行着不规则的运动，这就证明了微粒学说，这种现象被称为布朗运动。布朗运动的发现，为进一步证实原子可以再分奠定了基础。 1897年汤姆生在研究阴极射线的工作中，发现了电子，并且并测量出电子的荷质比。e/m=1.7588×108 库仑/克。从而粉碎了原子不可再分的说法。汤姆生认为电子是平均地，有序地分布在原子上，而原子核带的正电荷与电子带的负电荷相互抵消，这汤姆生的构想模型被我们称之为葡萄干布丁模型，也可以称之为枣糕式原子模型。葡萄干模型的提出、电子的发现，从根本意义上纠正了原子不可再分的实心球模型，开创了原子研究的新篇章。 在汤姆生之后，关于原子的研究不断取得发展。英国物理学家卢瑟福指出原子有核，且大部分原子质量和正电荷都存在于原子核中，电子是围绕原子核运动的；英国物理学家莫塞来建立了原子序数的概念；汤姆生发现了同位素；拉塞福发现质子，进一步证明原子核可分；不久英国物理学家扎的维克发现了中子；波尔在卢瑟福模型的基础上和普朗克及爱因斯坦的量子理论联系起来，构建了电子分布的波尔模型。 科学家们通过不断的实验研究，一步步证明了原子可分，原子由质子、中子、电子组成，原子核带有正电，核外电子带负电，整个原子不带有电荷等理论。此外在之后的研究中还发现了原子核内质子数决定元素的种类，质子数和中子数决定元素的原子量，最外层电子数目决定元素的化学性质，核外电子层排布规律等特点。但是总的来说，科学家在研究原子的过程中，最为显著的成就之一就是证明了原子是一个由带正电的原子核和带负电的电子组成的粒子。 二、原子带有<两种等量异号>电荷的实验支持 我们知道，原子主要是由位于原子中心的原子核和核外的电子构成，原子核带有正电荷，核外电子带有负电荷，原子核所带的正电荷数量与核外电子所带的负电荷数量相等，整个原子对外呈现电中性，由此，原子被认为是一个不带有电荷的粒子。根据以上理论，可以理解其数学表达式为： 原子核所带的x个正电荷＋核外电子所带的x个负电荷＝原子带有O个电荷。 针对上面的数学表达式，可能有人会问，既然原子既有带正电的原子核，又有带负电的核外电子，且两者并存，那原子的表达式是否应该是： 原子核所带的x个正电荷＋核外电子所带的x个负电荷＝原子带有２x个电荷。 对比上述两种表达式，你觉得哪一种更符合逻辑呢？在电磁世界里，有许多种现象反映出：原子虽然对外呈现电中性，但它是带有<两种等量异号>电荷的，且原子的周围空间里存在着由原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场。以下列举几个实例来说明： "原子带有<两种等量异号>电荷,原子的周围空间里存在着 由原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场"在宏观上的体现 实验1.真空二极管通电试验。 实验过程：一块真空二极管在接入电路之前,，正极与负极相隔一定距离，其间并不存在由正极、负极产生的静电场。当对二极管进行通电时，正极与负极之间不会因为存在距离、没有静电场的存在而使与它相连的电路成为断路，反而随着通电的瞬间，正极与负极之间顿然建立了电场，使与其相连的电路成了通路。 实验思考：我们该怎样理解这个物理过程呢？通过实验可以注意到：真空二极管在接上电路之前，正极与负极是存在距离的，且在通电之前，彼此间没有静电场，当真空二极管接上电路的刹那间，整个电路显示出通路，那么问题就产生了：正极与负极之间的空间是怎样实现电路联通的呢？如果设想：在真空二极管接入电路之前，正极与负极之间的空间存在某种"静电场"，而这"静电场"则是由正极、负极材料里原子中的正电荷和负电荷各自产生的叠加静电场。那么当真空二极管接入电路之后，由于正极与负极之间的空间存在着静电性质极不明显的叠加静电场，这就使得这种"叠加静电场"构起了连接正极与负极之间的一座桥梁。由此可知，即使正极与负极相隔一定距离，但也无碍电路的联通。 实验2.真空平行板电容器通电试验。 实验过程：一块真空平行板电容器，正极板与负极板相隔一定距离，在接入电路的一瞬间，正极板与负极板之间建立了电场,实现了电路的联通。 实验思考：在真空平行板电容器的通电试验其原理和真空二极管是一样的，都是在电路的正极与负极之间处于真空的情况下,对其通电之后也能使电路联通。通过真空平行板电容器和真空二极管的通电试验，都让我们不禁深思，是否在电容器二极管的正负极之间存在着由正极负极材料里原子内的正电荷与负电荷产生的叠加静电场，正是这种"叠加静电场"的存在才使得正极负极相连接，才有了电路的联通。这种现象和思考值得我们深入研究。 实验3.磁场产生原因的对比分析。 实验过程：对由电场或运动电荷产生磁场的几种形式。 形式（1）平行板电容器充电、放电时，我们可以发现，在由两极板上的正电荷、负电荷激发的静电场存在的空间里，产生了磁场.简言之，充电、放电的平行板电容器内产生磁场。 形式（2）罗兰实验。罗兰把大量的电荷加在橡胶盘上，然后使盘绕轴高速转动，实验发现，在通过橡胶盘上的电荷激发的静电场存在的空间里，产生了磁场。 形式（3）罗兰实验的翻版。如果把大量的电荷加在一整条较长的闭合铜线上，然后迫使带电铜线在两个(由绝缘体构成的)定滑轮的牵引下作高速的移动。实验发现，在由铜线上的电荷激发的静电场存在的空间里，产生了磁场。 形式（4）当一根闭合铜线里有电流通过时，在铜线的周围空间里产生了磁场。 对比一下形式（3）与形式（4）里的两根铜线，我们会发现，它们是有共同点的：同样是一根载流铜线（前者载流借助机械力，后者载流借助电场力），同样会在铜线的周围空间里产生磁场。唯一的不同点在于：对于带有电荷的铜线而言，磁场产生于（由铜线上的电荷激发的）静电场存在的空间里;对于不带有电荷的铜线，磁场则仅产生于铜线的周围空间里。在形式（4）里，如果设想在这根（内部通有电流的）铜线的周围空间里，存在着（由铜线里原子内的正电荷与负电荷各自产生的）叠加静电场，那么在形式（3）与形式（4）中所产生的两种磁场的形式也就得到了统一。 实验思考：对于实验3的对比思考，我们可以做如下概述：静电场激发磁场(两者关系正如同"电荷激发静电场"一样).也就是说在静电场存在的前提下，才会激发磁场。如果没有静电场的存在，那么磁场是无论如何也不能激发的。从以上可以看出，激发磁场的必要条件。 实验4：原子晶体(绝缘体)的电极化。 实验过程：把一块由大量的碳原子所构成的金刚石放入较强的电场中，金刚石内部的每个碳原子则会形成电偶极子(最简单的一个电偶极子为由一个质子和一个电子所构成的原子即氢原子)。这时，由大量整齐排列的电偶极子（碳原子）所构成的金刚石在其相对的两表面将分别产生等量的正负电荷,整个金刚石呈现出带电属性. 三， "原子带有<两种等量异号>电荷,原子的周围空间里存在着 由原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场"在微观上的体现 分子力的存在 （以氦气分子为例） 我们知道，氦原子的半径R为10-10米。当两个氦气分子He（氦原子）之间的距离为2R~10R时（氦原子半径的2~10倍），仍有明显的分子力存在。这表明，氦原子内的正电荷负电荷激发的静电场已经延伸到了氦原子的周围空间。换句话说，氦原子的周围空间里存在着由氦原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场。 四，原子在电场、磁场中不产生运动的原因 （以氢原子为例） 原子在电场中的受力情况如下：把一个氢原子沿着垂直于电场线方向射入匀强电场中，氢原子在此电场中只受到电场力的作用，此时带正电荷的质子受到与电场线方向相同的力，带负电荷的电子受到与方向相反的力，受力分别为F+、F-，这两个力大小相等，方向相反，并且作用在同一条直线上，这时氢原子处于二力平衡的状态，在电场力的作用下，氢原子按照射入电场的速度做匀速直线运动。 原子在磁场中受力情况如下：当把一个氢原子沿着垂直于磁场的方向上射入场强较小的磁场时，氢原子里的质子、电子将受到磁场力的作用，受力分别为F+、F-，这两个力大小相等，方向相反，且作用在同一条直线上。此时，这两个力作用在氢原子上，处于二力平衡状态，氢原子在磁场力的作用下，将不会产生运动。 五电荷的划分 在麦克斯韦电磁场理论里，麦克斯韦把电路中的电流分为两种，分别为传导电流，位移电流。其中，由"位移电流"的概念，直接推导出了电磁波的存在。在这里，根据带电粒子在电场中的受力情况，我们也可以把电荷分为两种，一种为纯粹意义上的带电粒子（如电子，质子，离子）所带的电荷，这类电荷在电场中会受到电场力的加速作用，可称其为"加速电荷" ；因原子的周围空间里存在着由原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场，且带电粒子的一个重要特征就是能够在其周围空间激发静电场，所以，原子也是一个带电粒子。这种带电粒子（原子）带有<两种等量异号>电荷，在电场力的作用下保持在原来的位置上静止不动，可称其为"本位电荷"（原子带有两种等量异号电荷的统称）。 "本位电荷"概念的提出，可以推导出电磁波的传播所依赖的媒介（由大量原子间接构成的宏观物体的周围空间存在着由物体里原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场） 六，原子带有《两种等量异号》电荷的总结思考 当原子带有〈两种等量异号〉电荷这个观点被实验所证实，这将会对现有的电磁学体系产生重大的促进作用，也会对物理学的发展产生重要的意义。 （1）因原子带有两种等量异号电荷，则由大量原子间接构成的宏观物体相应地带有两种等量异号电荷；原子的周围空间存在着由原子里的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场，则宏观物体的周围空间存在着由物体里原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场。 我们知道，静电场是有源电场， 高斯定理告诉我们，在一个封闭的曲面，静电场在电场线穿出曲面的条数与穿进曲面的条数之差正比于该区面内所包含电荷电量的代数和。同时静电场也是保守立场，有点类似于我们非常熟悉的生活中的重力场，故在静电场中引入电势差来描述将单位正电荷从一点移动到其他点的过程中电场力对其做功的值。在上述试验中可以推断出原子的周围空间存在着由原子里的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场的结论，因而推及宏观物体的周围空间存在着由物体里原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场，可以说静电场的存在对于实验过程和生活实际应用来说具有极其重要的作用和意义。 （2）原子带有〈两种等量异号〉电荷，原子在电场、磁场中受到电场力，磁场力的作用而不产生运动。这表明，判断一个粒子是否带有电荷，不能以"这个粒子能否在电场、磁场中产生运动"为唯一标准。 以往的经典理论将某一粒子能在电场、磁场中运动作为判断粒子是否带有电荷的唯一标准，从上述试验中可以得出，原子在电场、磁场中受到电场力、磁场力的作用而不产生运动，从这一结果就可以证明，经典理论中的标准并不是唯一的，这种情况值得我们更加深入的探讨和研究，进一步加以实验证明。 （3）宏观物体的周围空间存在着由物体里原子中的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场，电磁波在这种媒介"叠加静电场"中传播。 在上述试验中我们得出，原子带有〈两种等量异号〉电荷，同时也推断出宏观物体的周围空间存在着由原子内的正电荷与负电荷各自激发的叠加静电场，所以我们可以说，电磁波是在这种"叠加静电场"的媒介中传播的。 （4）宏观物体的周围空间存在着静电性质极不明显的叠加静电场，使得电磁力与万有引力之间具备统一的可能性。 宏观物体的周围空间存在着由原子内的正电荷负电荷激发的叠加静电场，这种静电场的性质却并不是非常明显。万有引力是任何有质量的物体之间的相互吸引力，对于质量和体积较小的微粒来说，万有引力并不明显，但对于较大的物体来说，其作用是相当明显。电磁力是带电粒子通过电磁场传递的相互作用，带电体各个方位在空间体不平衡的反作用力的作用下，产生了带有方向性质的力。叠加静电场的存在，使电磁力和万有引力之间具备了统一的可能性，究其根本就是来源于宇宙的根本原则--平衡趋势，正是由于平衡趋势，使得物质的本源不断地进行着循环和变化。 参考文献： [1]沈泽智.论多原子分子极性的判断（J）.科技教育.2008.9 [2]张必祥.原子结构与元素性质的关系（J）.化学辅导.2006 [3]曾永志 马靖.对应性原理和波尔原子模型（J）.物理与工程.2008.1 [4]张小钊 王伟群 庄浩.体验科学家的思维历程（J）.教学设计.2007.4 [5]陈熙谋.微观粒子的二象性（J）.自学之友.2004 作者：叶艺霖 |