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 陈建国 （jianguochen4@yahoo.com） 2007.06
第六章 原子核和基本粒子（2）
(征求出版商与征求评论稿，未经书面授权、不得转载！)
⒍⒉
原子核的经典理论
正如第五章所指出的，原子由带正电的核和围绕它旋转的电子组成，核则由质子和中子组成。中子和氢原子有相同的结构。中子与氢原子的区别在于它的电子沿更低的轨道、以更高的速度运动。因此可以说，核由质子和电子组成。电子进行着复杂的运动并被质子牢牢地拴在核内。质子只能进行振荡运动。核内质子的数量等于它的质量数，核内质子比电子多，它比电子多的数等于沿原子轨道运动的电子数，并符合元素序号。因为质子和电子的质量值恒定，而在原子中的电子数等于质子数，所以整个原子的质量等于氢原子质量的整数倍。1816年英国学者普罗特提出的上述原子论是正确的。
根据现行理论，一价离子化原子的电荷数等于单位数，〔204〕—〔214〕式是在这种情况下推导出来的。实际上只有氢离子电荷数等于单位数。对于其他离子来说，活性电荷数可以低于，或者高于单位数。高价离子化原子的电荷数将高达几倍单位数，但它们并不是整数。产生这种现象的原因如下。
电子只有在它的电荷沿核的圆球形表面均匀分布时，才能够遮住单位核电荷。事实上，电子尺度很小，可以认为它的电荷集中在原子内沿轨道运动的一个点上。电子电荷这样分布要完全遮住单位核电荷是不可能的。﹝18﹞
根据相对论得到的质能关系式，不适用于现实。运动不能引起物体质量的增量。与物体运动速度有关的是相互作用的效率。在粒子加速装置中为测量粒子的质量利用了电场和磁场。由于相互作用传播速度的有限性，场对粒子的作用效率将取决于粒子运动的速度。测定粒子的电荷对质量的关系的所有实验﹝9﹞，以及加速器﹝19﹞和质谱仪﹝7﹞的工作，都好用下列公式描述
这里E、E0、U、U0、H、H0—静止及运动的粒子电场强度、电位差和磁场强度。
从经典物理的立场上看，加速器和质谱仪的工作可以用下列式子来描述：
〔215〕
〔216〕
这里ze—有效电荷数。
联解这些方程式，可得下列表达式：
〔217〕
〔218〕
〔219〕
〔220〕
这样一来，在具有有限尺度的现实加速器中，不可能把粒子加速到光速。加速器的尺度决定了粒子所能获得的最大速度。〔218〕式可对此进行计算。知道了速度以后，按〔215〕式可以确定粒子最大可能获得的能量。粒子在获得最大能量之后，将入射回旋加速器之D形盒中成为中间产品，并获得补充能量，它很快地转变成同步脉冲辐射的能量。辐射是由于粒子在它与加速器的器壁撞击时的“刹车”作用。粒子沿圆周运动的法向加速不可能是同步脉冲辐射的原因。法向加速是由与粒子运动相垂直方向上的力所引起的。那样的力不做功，所以，它不能引起粒子能量的变化。因此，就排除了辐射光量子的任何可能性。
用第一种方法测量粒子质量，将完全满足下列关系式：
就原子的质量是氢原子质量的倍数而言，离子质量m1和m2可以认为是已知的。因此，使用这种方法不是让我们确定离子的质量，而是确定它的电荷数。把〔221〕式改造成下面的形式
 〔222〕
我们知道一个离子的有效电荷数之后，就可以确定另一个离子的电荷数值。对于电子偶方法下列关系式是有效的
 〔223〕
但是
〔224〕
这里m01和m02—从参考资料中引用的所谓的“静止质量”（这些质量值是不考虑有效电荷数而取得的）；△m0—电子偶的静止质量差。
由〔223〕和〔224〕式可得如下表达式
〔225〕
取氢原子为标准，可以确定所有核素（指质子等核的构成者）的有效电荷数。因为氢原子的ze1=1且m=1，所以确定有效电荷数的公式化简并改写成下式
〔226〕
在表⒍1列出了根据这个公式计算出来的最广泛分布的元素同位素所具有的有效电荷数。现在，从表⒍1上取任何一个元素当作标准，就可以按〔225〕式求出任何其它元素的有效电荷。把铜原子的有效电荷数作为例子，我们以硫原子为标准来进行计算：
质量m01和m02的值取自参考文献﹝19﹞。
据〔225〕式和〔226〕式可以确定分子中离子的有效电荷数。这时m01和m02指的是组成该分子的所有原子的静止质量的总和。例如，据〔226〕式对于分子CH4进行计算
表⒍1 核素的电荷数
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
|
H
|
1
|
1
|
1.000000000
|
Sb
|
51
|
122
|
1.00869127
|
|
He
|
2
|
4
|
1.007169738
|
Te
|
52
|
128
|
1.00857796
|
|
Li
|
3
|
7
|
1.005226184
|
I
|
53
|
127
|
1.00857384
|
|
Be
|
4
|
9
|
1.006462827
|
Xe
|
54
|
131
|
1.00855596
|
|
B
|
5
|
11
|
1.006973381
|
Cs
|
55
|
133
|
1.00850008
|
|
C
|
6
|
12
|
1.007825220
|
Ba
|
56
|
137
|
1.00851856
|
|
N
|
7
|
14
|
1.00760395
|
La
|
57
|
138
|
1.00850431
|
|
O
|
8
|
16
|
1.00814562
|
Ce
|
58
|
140
|
1.00850608
|
|
F
|
9
|
19
|
1.007909852
|
Pr
|
59
|
141
|
1.0084854
|
|
Ne
|
10
|
20
|
1.008206296
|
Nd
|
60
|
144
|
1.0084546
|
|
Na
|
11
|
23
|
1.008273669
|
Pm
|
61
|
145
|
1.00843172
|
|
Mg
|
12
|
24
|
1.008453642
|
Sm
|
62
|
150
|
1.00838115
|
|
Al
|
13
|
27
|
1.008514722
|
Eu
|
63
|
152
|
1.00834413
|
|
Si
|
14
|
28
|
1.008656331
|
Gd
|
64
|
157
|
1.0083135
|
|
P
|
15
|
31
|
1.008561688
|
Tb
|
65
|
159
|
1.00829838
|
|
S
|
16
|
32
|
1.008705542
|
Dy
|
66
|
163
|
1.00826583
|
|
Cl
|
17
|
35
|
1.008722879
|
Ho
|
67
|
165
|
1.00825078
|
|
Ar
|
18
|
40
|
1.008773865
|
Er
|
68
|
167
|
1.00823528
|
|
K
|
19
|
40
|
1.008733077
|
Tm
|
69
|
169
|
1.0082175
|
|
Ca
|
20
|
40
|
1.008768617
|
Yb
|
70
|
173
|
1.008185171
|
|
Sc
|
21
|
45
|
1.008813467
|
Lu
|
71
|
175
|
1.00816629
|
|
Ti
|
22
|
48
|
1.008919285
|
Hf
|
72
|
178
|
1.00814396
|
|
V
|
23
|
51
|
1.008933773
|
Ta
|
73
|
181
|
1.00811469
|
|
Cr
|
24
|
52
|
1.00897953
|
W
|
74
|
184
|
1.00809382
|
|
Mn
|
25
|
55
|
1.00896174
|
Re
|
75
|
186
|
1.0080689
|
|
Fe
|
26
|
56
|
1.008997568
|
Os
|
76
|
190
|
1.008045493
|
|
Co
|
27
|
59
|
1.008967783
|
Ir
|
77
|
192
|
1.008021353
|
|
Ni
|
28
|
59
|
1.008948059
|
Pt
|
78
|
195
|
1.008007157
|
|
Cu
|
29
|
64
|
1.008932573
|
Au
|
79
|
197
|
1.007996384
|
|
Zn
|
30
|
65
|
1.008923563
|
Hg
|
80
|
201
|
1.007974139
|
|
Ga
|
31
|
70
|
1.00889137
|
Tl
|
81
|
204
|
1.007954336
|
|
Ge
|
32
|
73
|
1.008882966
|
Pb
|
82
|
207
|
1.007942555
|
|
As
|
33
|
75
|
1.008879831
|
Bi
|
83
|
209
|
1.007919737
|
|
Se
|
34
|
79
|
1.008866216
|
Po
|
84
|
209
|
1.007909942
|
|
Br
|
35
|
80
|
1.008852552
|
At
|
85
|
210
|
1.007887401
|
|
Kr
|
36
|
84
|
1.008888092
|
Rn
|
86
|
222
|
1.007745290
|
|
Rb
|
37
|
85
|
1.008872085
|
Fr
|
87
|
223
|
1.007735924
|
|
Sr
|
38
|
88
|
1.008907177
|
Ra
|
88
|
226
|
1.007711803
|
|
Y
|
39
|
89
|
1.008892302
|
Ac
|
89
|
227
|
1.007701929
|
|
Zr
|
40
|
91
|
1.008871304
|
Th
|
90
|
232
|
1.00765985
|
|
Nb
|
41
|
93
|
1.008840783
|
Pa
|
91
|
231
|
1.007668608
|
|
Mo
|
42
|
96
|
1.008826959
|
U
|
92
|
238
|
1.007610082
|
|
Tc
|
43
|
99
|
1.008780504
|
Np
|
93
|
237
|
1.007620337
|
|
Ru
|
44
|
101
|
1.003768302
|
Pu
|
94
|
244
|
1.007559992
|
|
Rh
|
45
|
103
|
1.008750606
|
Am
|
95
|
243
|
1.007570657
|
|
Pd
|
46
|
106
|
1.008743681
|
Cm
|
96
|
247
|
1.007538149
|
|
Ag
|
47
|
108
|
1.008703604
|
Bk
|
97
|
247
|
1.007538393
|
|
Cd
|
48
|
112
|
1.008700963
|
Cf
|
98
|
251
|
1.007505684
|
|
In
|
49
|
115
|
1.008668335
|
Es
|
99
|
254
|
1.007475966
|
|
Sn
|
50
|
119
|
1.008644715
|
Fm
|
100
|
257
|
1.007452243
|
施密特•Л•Г用精密的质谱仪测量了下列电子偶的质量差﹝7﹞。我们化简那些由现代更精确测量得出来的值﹝16﹞：
O216-S32=0.01775724；
B115H19-S32O216=0.15505079；
B112H15-C212H316=0.03426110； C122H14-C12O216=0.03638586。
在表⒍2列出了据〔226〕式计算出来的这些分子的有效电荷数。
表⒍2
分子的有效电荷数
|
分子
|
质量数
|
电荷数
|
分子
|
质量数
|
电荷数
|
|
O216
B115H19
B112H15
C212H14
|
32
64
27
28
|
1.008145620
1.005986879
1.005674686
1.006699841
|
S32
S32O162
C122H13
C12O162
|
32
64
27
28
|
1.008705542
1.008425503
1.006949708
1.008008280
|
知道了原子或分子的有效电荷数，就很容易确定根据相对论它应该有的静止质量。由〔226〕式可得下面的表达式
这里moH—氢的静止质量。
此处列出的电子偶的质量差，或者可以按下式找到
或者按借助于〔223〕和〔224〕式获得的下式获取
这样，如果按〔227〕式，我们得
=1.15505079，
这个结果也可以据〔228〕式获得：
=0.15505079。
根据以上的研究和分析，可以得出以下的结论。
⒈按〔201〕式计算的结果是假的。在物体速度运动接近于光速时能量不会增加到无限大。
⒉物体质量与它的运动速度无关。所观察到的在回旋加速器中加速的粒子荷质比的减小，不是由于它的质量增加，而是由于电场和磁场对其发生作用的效率，随着运动速度增加而降低。
⒊基本粒子的质量，在核变化和化学变化中都是不变的。
⒋原子核由两种基本粒子组成：电子和质子。核的电子-质子模型在现代物理学中失效的原因，是在本世纪初某些学者构建本模型时应用了一些错误的理论。
⒌核素中离子的有效电荷数不等于整数。对于不同的离子它们有不同的值。在分析核素质量在质谱仪上的测量结果时之所以采用整数电荷值，是因为过去有核质量会亏损的假设，
⒍在今天，核内核子的维系能是靠质量亏损来解释的。实际上原子核的质量亏损并不存在。所以，用那样一种方式，据某种关系式而找到的维系能对核也好，对原子也好，完全是不存在的。
⒎采用氢原子的质量作为原子的质量单位是合理的。原子质量单位用“a.e.m”为标志。
1 a.e.m=mPr+me=1.6726231×10-27+9.1093897×10-31=1.673534038×10-27kg。
在这时质子质量等于mPr=0.999455680 a.e.m，中子质量mn=1.000000000 a.e.m。而电子的质量me=5.443205511×10-4 a.e.m。
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