(一)不同品質電子間相互作用的品質變化規律。前面我們指出,電子品質越大其內部結合力就越小、越容易被其它粒子"掠奪"一部分品質,電子品質越小其內部結合力就越大、越容易"掠奪"其它粒子一部分品質。那麼不同品質電子間相互作用滿足什麼規律呢?自由電子的品質是較大的、其內部結合力較小,在和品質較小的電子作用時容易被品質較小的電子"掠奪"一部分品質,比如弗蘭克赫茲實驗就證明了這一點,當自由電子與汞蒸氣作用時(實際上是自由電子和處於原子核束縛狀態的電子作用),由於處於原子核束縛狀態的電子品質較小、內部結合力較大、"飢餓程度"較高,而自由電子品質較大、內部結合力較小、更接近"臨界品質",所以汞原子很容易"掠奪"自由電子的一部分品質(實際上是汞原子中被原子核束縛狀態的電子"掠奪"了自由電子的一部分品質)。由於自由電子處於吃飽喝足狀態、接近"臨界品質"(電子能夠穩定存在的最大品質),所以一般情況下自由電子與處於原子核束縛狀態的電子作用時總是自由電子損失品質(能量)。這裡我們看到,兩個品質不同的電子相互作用,品質較小的電子會從品質較大的電子"掠奪"一部分品質,電子與電子之間的作用滿足"弱肉強食"規律:內部結合力大的粒子將"掠奪"內部結合力小粒子的一部分品質。
(二)電子和原子核的相互作用。一個四處遊蕩的自由電子由於內部結合力較小,在與其他粒子作用時經常會被其他粒子"掠奪"一部分品質,比如自由電子會被處於原子核束縛狀態下的電子"掠奪"一部分品質,那麼自由電子與原子核(質子)相互作用會發生什麼狀況呢?由於原子核內部結合力遠遠大於電子內部結合力,所以原子核與電子作用時肯定不會被電子"掠奪"一部分品質,電子內部結合力不足以"掠奪"原子核的部分品質。
經典物理理論認為,相距一定距離並且相向初速度為零的原子核(質子)和電子僅在靜電引力作用下將沿著直線吸引在一起,無論如何(沒有任何理由)也不會形成原子系統,但實際上質子和電子僅在靜電引力作用下最終並沒有吸引在一起,而是形成能夠電子繞原子核旋轉的穩定原子系統,在赤裸裸的打臉下有人全面否定經典物理學,並提出了自認為高明的電子雲模型。前面我們闡述過原子系統形成的原因:一是在靜電力加速作用下原子核和電子將迅速相互靠近,而相向運動的原子核和電子相當於通以相同方向電流的兩條平行導線,它們之間會產生磁力作用並且隨著原子核和電子的相對速度增大磁力作用也將迅速增大,正是在這個磁力作用下電子獲得了繞原子核旋轉的角速度,磁力作用和靜電引力這兩種力的作用結果使原子核和電子沿著螺旋線相互靠近並最終形成電子繞原子核旋轉的穩定的原子系統。
二是當電子與質子(原子核)相距足夠近時,電子會在原子核靜電引力撕扯作用下產生形變進而發生"裂變"放出光子以獲得反衝,這個反衝作用將把電子推離原子核。由於電子在原子中始終處於"飢餓狀態",當電子離原子核較遠時靜電力作用減小電子會迅速吸收一個品質合適的光子補充品質併為下一次裂變做好物質儲備,電子離核近時"裂變"放出光子,離核遠時吸收光子補充品質,電子在原子中的品質時刻在變化。從這裡我們領略了宇宙的奇妙之處,我們發射的天宮一號地球同步實驗室需要定期為其補充燃料否則將不能繼續執行下去,我們需要不斷調整才能保持天宮一號的穩定執行;反之原子核和電子形成的穩定原子系統則要高階得多、也聰明得多:電子能夠根據離原子核的遠近不同自動通過吸收-放出光子調整品質以維持原子系統的穩定,電子離核遠了就吸收光子儲備品質為下一次裂變做好物質儲備、電子離核近了就通過"裂變"獲得反衝從而保證自己不落入原子核中,同時原子核和電子之間的磁力作用能夠保證電子始終圍繞原子核運動,幾種因素共同作用保證了原子系統的穩定,不得不讓我們驚歎宇宙的奇妙之處。
三是電子繞原子核旋轉不斷輻射電磁波導致能量減少問題。經典電磁理論認為電子繞原子核運動具有加速度,而做加速運動的電荷(電子)要向周圍空間輻射電磁波,電子向外輻射電磁波的頻率等於電子繞核旋轉的頻率,隨著電子不斷地向外輻射能量必然導致電子能量不斷降低,電子運動的軌道半徑也會越來越小,繞核旋轉的頻率將連續增大,電子輻射的電磁波頻率也將連續變化、電子輻射出的電磁波頻率也將越來越大,所以原子發光光譜應該是連續光譜,最終隨著電子能量的減少必將落入原子核中。電子繞原子核運動的確有切身加速度(由電子和原子核之間的磁力作用提供),但是電子發出的電磁波頻率等於電子繞核旋轉頻率這一點是站不住腳的,原因在於電子繞原子核運動一週的過程中其運動方向並不是只改變了一次而是改變了很多次(一定要注意這裡不是無限次),電子每一次運動狀態的改變都要向外輻射能量(電磁波),在電子繞原子核旋轉一週的過程中電電子會多次向外輻射電磁波(電子輻射出的電磁波頻率要比電子裂變放出光子的頻率小若干個數量級),電子向外輻射電磁波的頻率高於電子繞核旋轉的頻率,電子向外輻射電磁波的頻率和電子繞核頻率是兩個完全不同的物理概念。事實上電子雖然不斷向外輻射能量,但同時原子核靜電力又會源源不斷地為電子補充能量,最終電子能量不會減少而是時刻處於動態平衡之中(後面我們將詳細討論)。
言歸正傳,當自由電子與處於原子核束縛狀態的電子作用時,由於它們內部結合力不同導致它們之間產生品質交換,並且這個交換總滿足"弱肉強食"規律,即內部結合力大的電子會從內部結合力小的電子處"掠奪"一部分品質。對於原子核而言,其內部結合力遠遠大於電子內部結合力,所以在原子核並沒有與電子直接接觸時原子核靜電引力撕扯作用就足以讓電子形變進而"裂變"放出光子。根據以上
分析,在遊離態電子(自由電子)與原子核相互吸引的作用過程中,決定電子是否"裂變"的因素只有一個,那就是電子和原子核之間的距離,這個距離越近原子核靜電引力撕扯作用就越強因而電子就越容易"裂變"。當自由電子與原子核在靜電引力作用下相互吸引、相互靠近的過程中,電子與原子核的相向速度不斷增大,此時電子和原子核之間的磁力作用也不斷增大,當電子與原子核之間的距離足夠近時(假設為500個距離單位),此時電子在原子核靜電引力撕扯作用下將發生第一"裂變"放出光子並獲得反衝,電子被推到離原子核更遠的地方並形成離原子核最遠的一條穩定軌道,這裡我們看到,如果電子在離原子核500個距離單位的地方"裂變",那麼電子在原子中的最外層穩定軌道與原子核的距離一定大於500個距離單位,假設為520個距離單位,電子在第一次"裂變"點裂變後獲得反衝並被推到離原子核更遠的地方並在此處形成離原子核最遠的一條穩定軌道(相對穩定軌道)。
上圖是我們畫出的電子在原子中不同軌道上的品質草圖,圖中黑色線是電子在原子中的穩定軌道,紅色線是電子的不同裂變點,從圖中可以看出,電子離原子核越近品質越小、離原子核越遠品質越大,電子的"裂變"點始終比電子在原子中的穩定軌道離原子核更近,電子在原子中有一個裂變點就會對應有一條穩定軌道。
當電子在原子最外層穩定軌道上運動時,如果在某一時刻電子受到指向原子核的擾動作用,這個擾動作用可以是我們對物質施加壓力迫使原子間相互擠壓,此時在最外層穩定軌道上運動的電子就會在壓力下向著(靠近)原子核運動,當電子運動到第一次"裂變"點並繼續靠近原子核時,原子核靜電引力撕扯作用迅速增大(原子核和電子之間的靜電引力遵循平方反比定律),最終電子會在離原子核更近的地方發生第二次"裂變"放出光子並獲得反衝,我們假設第二次"裂變"點距離原子核為470個距離單位,可見電子的第二次"裂變"點距離原子核更近了,電子"裂變"後放出特定品質的光子從而處於內部結合力極大的"品質幻數",此時電子內部結合力足以抵禦原子核靜電引力作用,電子就會在原子內部形成次外層穩定軌道。同樣如果我們繼續對原子施加壓力,電子就會繼續向原子核靠近,並在原子核靜電引力作用下發生第三次、第四次乃至第N次"裂變",當然了電子離原子核越近時"裂變"放出的光子品質(能量)也越大,越靠近原子核電子"裂變"後內部結合力也越大,換句話說,電子越靠近原子核越穩定其運動狀態越穩定、越不容易改變,電子離原子核越遠其運動狀態越容易改變。
有人指出,我們常見的原子發光現象並不是我們對物質施加壓力形成的,的確如此。實際上對處於原子核束縛狀態的電子而言,外界對其擾動的最主要的方式之一就是光子對電子的擾動作用(另一種主要擾動方式是其它原子核和電子對處於原子核束縛狀態電子的擾動)。對於處於原子核靜電引力束縛狀態的外層電子而言,該電子處於"飢餓狀態"有吸收光子的可能,同時由於它時刻受到原子核靜電引力撕扯作用,所以如果位於"品質幻數"並且處於"飢餓狀態"的電子吸收一個品質合適的光子並且正好處於另一個"品質幻數"位置,其內部結合力較大足以抵禦原子核靜電引力作用,則外層電子就有可能吸收這個光子。電子吸收光子後同時也吸收了光子對電子的衝量作用,如果光子對電子的擾動作用是遠離原子核的並且光子能量足夠大,電子就有可能被光子電離(被光子打出原子而成為遊離態的自由電子),這就是光電效應,顯然低能量的光子不足以提供電子脫離原子核靜電引力作用的能量,只有能量大於某一最小能量的光子才可能產生光電效應,這就是光電效應中紅限頻率存在的原因。有人指出:既然光子能量足夠大就有可能產生光電效應,那麼為什麼能量足夠大的X射線和ϒ射線的光電效應並不明顯反而不如紫外線的光電效應明顯呢?這是因為原子中的外層電子相對於內層電子品質更大、內部結合力更小,因而其對大品質的光子的結合力也較小,甚至有可能外層電子吸收高能ϒ射線光子後其品質超過"臨界品質"所以是極不穩定的,同時外層電子又時刻處於原子核靜電引力撕扯作用下,由於外層電子和大品質的X射線或者ϒ射線光子的結合力不夠大並且不足以抵禦原子核靜電引力作用,所以外層電子不會吸收大品質的X射線和ϒ射線光子,但是當外層電子吸收了一個品質較小的(相比X射線和ϒ射線光子品質而言)光子時由於其和小品質光子的結合力較大,所以外層電子對小品質光子吸收的機率遠遠大於吸收X射線和ϒ射線光子的機率,從而造成紫外線產生光電效應的效果強於X射線和ϒ射線。
當然了,光子對電子的擾動作用從效果上來看有遠離原子核的也有靠近原子核的。假設電子在離原子核520個距離單位的最外層穩定軌道上運動,某一時刻電子吸收了一個品質合適的光子,如果這個光子對電子的衝量作用是指向(靠近)原子核的,則新形成的電子將在光子衝量作用下靠近原子核,當新形成的電子運動到離原子核500個距離單位(外層電子的第一次裂變點),此時在原子核靜電引力撕扯作用下電子將"裂變"放出光子獲得反衝並重新回到離原子核較遠的軌道上。如果光子的衝量足夠大,電子會運動到離原子核更近的第二次裂變點,當電子運動到第二次裂變點"裂變"時不僅會放出吸收的光子而且還會"裂變"放出一部分能量(光子),也就是電子"裂變"放出的能量大於吸收的能量,所以物質的溫度會升高,這就是光照能夠使物質溫度升高的原因。有人指出,照此推理:如果光子的能量繼續增大,就能夠使電子回到離原子核更近的軌道並放出更多的能量,由此X射線和ϒ射線應該比可見光和紅外線強,但為什麼實際上紅外線的熱效應最強呢?原因如前所述,外層電子和能量很大的光子的結合力小於外層電子和小品質光子的結合力,造成外層電子吸收紅外線的機率遠遠大於吸收X射線和ϒ射線的機率,甚至可以認為外層電子不吸收X射線和ϒ射線,所以X射線和ϒ射線的熱效應弱於紅外線的熱效應。
在電子和原子核的相互作用中我們看到,由於原子核內部結合力遠遠大於電子內部結合力,所以電子並不能"掠奪"原子核的品質,相反在兩者還沒有直接接觸時原子核的靜電引力就會使電子"裂變"放出光子。
(三)電子與光子的相互作用。如果我們把與電子作用的微粒按照品質大小排列,則原子核的品質>電子的品質>光子的品質。在電子和原子核相互作用時總是原子核"掠奪"電子的品質,電子不會也不能夠"掠奪"原子核的品質,不是不想"掠奪"實在是實力不允許;在自由電子和原子核束縛狀態的電子作用時,品質小的電子會從品質大的電子內部"掠奪"一部分品質;在電子和光子作用時,處於"飢餓狀態"的電子可以完全吸收品質較小的光子,但卻不能完全吸收大品質的光子,只能吸收大品質光子的一部分品質。有沒有實驗證明處於"飢餓狀態"的電子只能吸收大品質光子的一部分品質呢?康普頓在研究X射線被較輕物質(石墨、石蠟等)散射時發現,散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外,還有波長較長的成分,其波長的改變數與散射角有關,而與入射光波長和散射物質都無關。康普頓效應一定程度上表明原子內層電子可以只吸收光子的一部分品質而不是完全吸收整個光子。
(四)電子與引力子的作用。當電子與品質更小的微粒--引力子相互作用時,由於引力子品質極其微小(比光子品質小若干個數量級),所以電子和引力子之間的結合力也是極其微小的,我們知道結合力越小這種結合就越不穩定,在外界極其微小的擾動作用下電子將"裂變"放出引力子並改變原來的運動軌跡。證明電子可以吸收引力子最經典的實驗莫過於電子雙縫干涉實驗了,關於這個實驗已經有太多的描述了,這裡不在贅述,有興趣的朋友也可以看我本人對這個實驗的相關文章。在這個實驗中,電子經過雙縫後會在螢幕上形成明暗相間的條紋;改變實驗條件一個一個地發射電子,經過足夠長時間後大量電子也會在螢幕上形成明暗相間的條紋。當我們在雙縫後安裝觀測儀器想要知道電子到底從哪條縫通過時,螢幕上的明暗相間的條紋就會消失。這個實驗表明:電子經過雙縫後會在引力作用下到達螢幕上不同的位置(實際上是電子吸收了若干個引力子並完全吸收了引力子的衝量作用),使用觀測儀器對電子進行觀測必須會對電子造成擾動,這個擾動將使電子"裂變"放出引力子從而改變了原來的運動軌跡。