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葉藝霖__原子帶有〈兩種等量異號〉電荷的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支持

 物理網(wǎng)文 2018-06-14
                                     
       
    摘要:原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位,在科學(xué)的不斷發(fā)展過程中,人們對原子有著越來越深刻的理解和認(rèn)識。原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成,兩者達(dá)到能量平衡是學(xué)界的一個(gè)基本常識,然而原子是否帶有<兩種等量異號>電荷呢?本文就此論點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中如何可以證明及其實(shí)踐意義做出探討和研究。
   關(guān)鍵詞:原子,  <兩種等量異號>電荷,  疊加靜電場 
  
   眾所周知,原子是化學(xué)變化中的最小微粒,并且在化學(xué)反應(yīng)中不可分割。原子由質(zhì)子、電子、中子組成。原子的質(zhì)量非常小,并且其質(zhì)量幾乎全部集中在原子核部分。原子核外是電子,電子分布于穩(wěn)定的軌道之中。原子在古希臘時(shí)期被用于哲學(xué)本體意義上的抽象概念,在后來人們認(rèn)識的不斷發(fā)展過程中,逐步演變成為科學(xué)的理論。然而,原子是否帶有<兩種等量異號>電荷,這個(gè)問題需要我們加以研究和探討。

    一、原子帶有<兩種等量異號>電荷的實(shí)驗(yàn)支持
       
    我們知道,原子主要是由位于原子中心的原子核和核外的電子構(gòu)成,原子核帶有正電荷,核外電子帶有負(fù)電荷,原子核所帶的正電荷數(shù)量與核外電子所帶的負(fù)電荷數(shù)量相等,整個(gè)原子對外呈現(xiàn)電中性,由此,原子被認(rèn)為是一個(gè)不帶有電荷的粒子。根據(jù)以上理論,可以理解其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:  原子核所帶的x個(gè)正電荷+核外電子所帶的x個(gè)負(fù)電荷=原子帶有O個(gè)電荷?!  ?
  
   針對上面的數(shù)學(xué)表達(dá)式,可能有人會問,既然原子既有帶正電的原子核,又有帶負(fù)電的核外電子,且兩者并存,那原子的表達(dá)式是否應(yīng)該是:      原子核所帶的x個(gè)正電荷+核外電子所帶的x個(gè)負(fù)電荷=原子帶有2x個(gè)電荷。
  
    對比上述兩種表達(dá)式,你覺得哪一種更符合邏輯呢?在電磁世界里,有許多種現(xiàn)象反映出:原子雖然對外呈現(xiàn)電中性,但它是帶有<兩種等量異號>電荷的,且原子的周圍空間里存在著由原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場。以下列舉幾個(gè)實(shí)例來說明:  
                                        
                                  "原子帶有<兩種等量異號>電荷,原子的周圍空間里存在著
                                由原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場"在宏觀上的體現(xiàn) 
  
    實(shí)驗(yàn)1.真空二極管通電試驗(yàn)。
  
    實(shí)驗(yàn)過程:一塊真空二極管在接入電路之前,,正極與負(fù)極相隔一定距離,其間并不存在由正極、負(fù)極產(chǎn)生的靜電場。當(dāng)對二極管進(jìn)行通電時(shí),正極與負(fù)極之間不會因?yàn)榇嬖诰嚯x、沒有靜電場的存在而使與它相連的電路成為斷路,反而隨著通電的瞬間,正極與負(fù)極之間頓然建立了電場,使與其相連的電路成了通路。   
    實(shí)驗(yàn)思考:我們該怎樣理解這個(gè)物理過程呢?通過實(shí)驗(yàn)可以注意到:真空二極管在接上電路之前,正極與負(fù)極是存在距離的,且在通電之前,彼此間沒有靜電場,當(dāng)真空二極管接上電路的剎那間,整個(gè)電路顯示出通路,那么問題就產(chǎn)生了:正極與負(fù)極之間的空間是怎樣實(shí)現(xiàn)電路聯(lián)通的呢?如果設(shè)想:在真空二極管接入電路之前,正極與負(fù)極之間的空間存在某種“靜電場”,而這“靜電場”則是由正極、負(fù)極材料里原子中的正電荷和負(fù)電荷各自產(chǎn)生的疊加靜電場。那么當(dāng)真空二極管接入電路之后,由于正極與負(fù)極之間的空間存在著靜電性質(zhì)極不明顯的疊加靜電場,這就使得這種“疊加靜電場”構(gòu)起了連接正極與負(fù)極之間的一座橋梁。由此可知,即使正極與負(fù)極相隔一定距離,但也無礙電路的聯(lián)通。
  
   實(shí)驗(yàn)2.真空平行板電容器通電試驗(yàn)。
  
   實(shí)驗(yàn)過程:一塊真空平行板電容器,正極板與負(fù)極板相隔一定距離,在接入電路的一瞬間,正極板與負(fù)極板之間建立了電場,實(shí)現(xiàn)了電路的聯(lián)通。
   實(shí)驗(yàn)思考:在真空平行板電容器的通電試驗(yàn)其原理和真空二極管是一樣的,都是在電路的正極與負(fù)極之間處于真空的情況下,對其通電之后也能使電路聯(lián)通。通過真空平行板電容器和真空二極管的通電試驗(yàn),都讓我們不禁深思,是否在電容器二極管的正負(fù)極之間存在著由正極負(fù)極材料里原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷產(chǎn)生的疊加靜電場,正是這種"疊加靜電場"的存在才使得正極負(fù)極相連接,才有了電路的聯(lián)通。這種現(xiàn)象和思考值得我們深入研究。
  
   實(shí)驗(yàn)3.磁場產(chǎn)生原因的對比分析。
  
   實(shí)驗(yàn)過程:對由電場或運(yùn)動電荷產(chǎn)生磁場的幾種形式。
   形式(1)平行板電容器充電、放電時(shí),我們可以發(fā)現(xiàn),在由兩極板上的正電荷、負(fù)電荷激發(fā)的靜電場存在的空間里,產(chǎn)生了磁場.簡言之,充電、放電的平行板電容器內(nèi)產(chǎn)生磁場。
   形式(2)羅蘭實(shí)驗(yàn)。羅蘭把大量的電荷加在橡膠盤上,然后使盤繞軸高速轉(zhuǎn)動,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在通過橡膠盤上的電荷激發(fā)的靜電場存在的空間里,產(chǎn)生了磁場。
   形式(3)羅蘭實(shí)驗(yàn)的翻版。如果把大量的電荷加在一整條較長的閉合銅線上,然后迫使帶電銅線在兩個(gè)(由絕緣體構(gòu)成的)定滑輪的牽引下作高速的移動。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在由銅線上的電荷激發(fā)的靜電場存在的空間里,產(chǎn)生了磁場。
   形式(4)當(dāng)一根閉合銅線里有電流通過時(shí),在銅線的周圍空間里產(chǎn)生了磁場。
  
   對比一下形式(3)與形式(4)里的兩根銅線,我們會發(fā)現(xiàn),它們是有共同點(diǎn)的:同樣是一根載流銅線(前者載流借助機(jī)械力,后者載流借助電場力),同樣會在銅線的周圍空間里產(chǎn)生磁場。唯一的不同點(diǎn)在于:對于帶有電荷的銅線而言,磁場產(chǎn)生于(由銅線上的電荷激發(fā)的)靜電場存在的空間里;對于不帶有電荷的銅線,磁場則僅產(chǎn)生于銅線的周圍空間里。在形式(4)里,如果設(shè)想在這根(內(nèi)部通有電流的)銅線的周圍空間里,存在著(由銅線里原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自產(chǎn)生的)疊加靜電場,那么在形式(3)與形式(4)中所產(chǎn)生的兩種磁場的形式也就得到了統(tǒng)一。
   實(shí)驗(yàn)思考:對于實(shí)驗(yàn)3的對比思考,我們可以做如下概述:靜電場激發(fā)磁場(兩者關(guān)系正如同"電荷激發(fā)靜電場"一樣).也就是說在靜電場存在的前提下,才會激發(fā)磁場。如果沒有靜電場的存在,那么磁場是無論如何也不能激發(fā)的。從以上可以看出,激發(fā)磁場的必要條件。
  
   實(shí)驗(yàn)4:原子晶體(絕緣體)的電極化。
  
   實(shí)驗(yàn)過程:把一塊由大量的碳原子所構(gòu)成的金剛石放入較強(qiáng)的電場中,金剛石內(nèi)部的每個(gè)碳原子則會形成電偶極子(最簡單的一個(gè)電偶極子為由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子所構(gòu)成的原子即氫原子)。這時(shí),由大量整齊排列的電偶極子(碳原子)所構(gòu)成的金剛石在其相對的兩表面將分別產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷,整個(gè)金剛石呈現(xiàn)出帶電屬性.
   

      二, "原子帶有<兩種等量異號>電荷,原子的周圍空間里存在著 由原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場"在微觀上的體現(xiàn) 分子力的存在    (以氦氣分子為例)
                 
     我們知道,氦原子的半徑R為10-10米。當(dāng)兩個(gè)氦氣分子He(氦原子)之間的距離為2R~10R時(shí)(氦原子半徑的2~10倍),仍有明顯的分子力存在。這表明,氦原子內(nèi)的正電荷負(fù)電荷激發(fā)的靜電場已經(jīng)延伸到了氦原子的周圍空間。換句話說,氦原子的周圍空間里存在著由氦原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場。 
   
    三,原子在電場、磁場中不產(chǎn)生運(yùn)動的原因                      
  
    (以氫原子為例)
    
    原子在電場中的受力情況如下:把一個(gè)氫原子沿著垂直于電場線方向射入勻強(qiáng)電場中,氫原子在此電場中只受到電場力的作用,此時(shí)帶正電荷的質(zhì)子受到與電場線方向相同的力,帶負(fù)電荷的電子受到與方向相反的力,受力分別為F+、F-,這兩個(gè)力大小相等,方向相反,并且作用在同一條直線上,這時(shí)氫原子處于二力平衡的狀態(tài),在電場力的作用下,氫原子按照射入電場的速度做勻速直線運(yùn)動。
    原子在磁場中受力情況如下:當(dāng)把一個(gè)氫原子沿著垂直于磁場的方向上射入場強(qiáng)較小的磁場時(shí),氫原子里的質(zhì)子、電子將受到磁場力的作用,受力分別為F+、F-,這兩個(gè)力大小相等,方向相反,且作用在同一條直線上。此時(shí),這兩個(gè)力作用在氫原子上,處于二力平衡狀態(tài),氫原子在磁場力的作用下,將不會產(chǎn)生運(yùn)動。
     
      四,電荷的劃分      
    
   在麥克斯韋電磁場理論里,麥克斯韋把電路中的電流分為兩種,分別為傳導(dǎo)電流,位移電流。其中,由“位移電流”的概念,直接推導(dǎo)出了電磁波的存在。在這里,根據(jù)帶電粒子在電場中的受力情況,我們也可以把電荷分為兩種,一種為純粹意義上的帶電粒子(如電子,質(zhì)子,離子)所帶的電荷,這類電荷在電場中會受到電場力的加速作用,可稱其為“加速電荷” ;因原子的周圍空間里存在著由原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場,且?guī)щ娏W拥囊粋€(gè)重要特征就是能夠在其周圍空間激發(fā)靜電場,所以,原子也是一個(gè)帶電粒子。這種帶電粒子(原子)帶有<兩種等量異號>電荷,在電場力的作用下保持在原來的位置上靜止不動,可稱其為“本位電荷”(原子帶有兩種等量異號電荷的統(tǒng)稱)。     
   “本位電荷”概念的提出,可以推導(dǎo)出電磁波的傳播所依賴的媒介(由大量原子間接構(gòu)成的宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場)
 
       五,原子帶有《兩種等量異號》電荷的總結(jié)思考
        
    當(dāng)原子帶有〈兩種等量異號〉電荷這個(gè)觀點(diǎn)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí),這將會對現(xiàn)有的電磁學(xué)體系產(chǎn)生重大的促進(jìn)作用,也會對物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重要的意義。                                                           
   (1)因原子帶有兩種等量異號電荷,則由大量原子間接構(gòu)成的宏觀物體相應(yīng)地帶有兩種等量異號電荷;原子的周圍空間存在著由原子里的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場,則宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場。
    我們知道,靜電場是有源電場, 高斯定理告訴我們,在一個(gè)封閉的曲面,靜電場在電場線穿出曲面的條數(shù)與穿進(jìn)曲面的條數(shù)之差正比于該區(qū)面內(nèi)所包含電荷電量的代數(shù)和。同時(shí)靜電場也是保守立場,有點(diǎn)類似于我們非常熟悉的生活中的重力場,故在靜電場中引入電勢差來描述將單位正電荷從一點(diǎn)移動到其他點(diǎn)的過程中電場力對其做功的值。在上述試驗(yàn)中可以推斷出原子的周圍空間存在著由原子里的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場的結(jié)論,因而推及宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場,可以說靜電場的存在對于實(shí)驗(yàn)過程和生活實(shí)際應(yīng)用來說具有極其重要的作用和意義。
   (2)原子帶有〈兩種等量異號〉電荷,原子在電場、磁場中受到電場力,磁場力的作用而不產(chǎn)生運(yùn)動。這表明,判斷一個(gè)粒子是否帶有電荷,不能以“這個(gè)粒子能否在電場、磁場中產(chǎn)生運(yùn)動”為唯一標(biāo)準(zhǔn)。
     以往的經(jīng)典理論將某一粒子能在電場、磁場中運(yùn)動作為判斷粒子是否帶有電荷的唯一標(biāo)準(zhǔn),從上述試驗(yàn)中可以得出,原子在電場、磁場中受到電場力、磁場力的作用而不產(chǎn)生運(yùn)動,從這一結(jié)果就可以證明,經(jīng)典理論中的標(biāo)準(zhǔn)并不是唯一的,這種情況值得我們更加深入的探討和研究,進(jìn)一步加以實(shí)驗(yàn)證明。
   (3)宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子中的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場,電磁波在這種媒介“疊加靜電場”中傳播。
在上述試驗(yàn)中我們得出,原子帶有〈兩種等量異號〉電荷,同時(shí)也推斷出宏觀物體的周圍空間存在著由原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場,所以我們可以說,電磁波是在這種“疊加靜電場”的媒介中傳播的。
   (4)宏觀物體的周圍空間存在著靜電性質(zhì)極不明顯的疊加靜電場,使得電磁力與萬有引力之間具備統(tǒng)一的可能性。
     宏觀物體的周圍空間存在著由原子內(nèi)的正電荷負(fù)電荷激發(fā)的疊加靜電場,這種靜電場的性質(zhì)卻并不是非常明顯。萬有引力是任何有質(zhì)量的物體之間的相互吸引力,對于質(zhì)量和體積較小的微粒來說,萬有引力并不明顯,但對于較大的物體來說,其作用是相當(dāng)明顯。電磁力是帶電粒子通過電磁場傳遞的相互作用,帶電體各個(gè)方位在空間體不平衡的反作用力的作用下,產(chǎn)生了帶有方向性質(zhì)的力。疊加靜電場的存在,使電磁力和萬有引力之間具備了統(tǒng)一的可能性,究其根本就是來源于宇宙的根本原則——平衡趨勢,正是由于平衡趨勢,使得物質(zhì)的本源不斷地進(jìn)行著循環(huán)和變化。
參考文獻(xiàn):
   [1]沈澤智.論多原子分子極性的判斷(J).科技教育.2008.9                                 
   [2]張必祥.原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系(J).化學(xué)輔導(dǎo).2006
   [3]曾永志 馬靖.對應(yīng)性原理和波爾原子模型(J).物理與工程.2008.1                          
   [4]張小釗 王偉群 莊浩.體驗(yàn)科學(xué)家的思維歷程(J).教學(xué)設(shè)計(jì).2007.4
   [5]陳熙謀.微觀粒子的二象性(J).自學(xué)之友.20                               

作者:葉藝霖




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