晏成和 （yych66@126.com）　2007.05

物质对光为什么既反射，又折射？ 激光是怎么形成的？

物质的酸性、碱性如何形成？

物质的表面

　　同一物质尽管其内外有相同的原子结构和分子，尽管它的纯度很高，但其表面与内部存在许多性质差别。人们首先注意到液体表面张力，而后又发现了电流的集肤现象、物体表面的硬度等。近年来物质的表面越来越为人们所重视而促成了一门物理学新支──表面物理。

　　为什么具有相同原子的物质其表面与内部有不同的物理性质，原因何在？要解答这样的问题，恐怕只有从价和电子及其组成的结构元那里去找答案。

　　液体表面的张力　　正如上一章所述，物质呈液态，是因为内部的价和电子在进行立交的价和运转，在液体内形成了一些方向变化的价磁力，这些方向紊乱的价磁力虽不能建立稳固的固体结构，却能使得结构元相互吸引，在液体内部成链成团，构成了液体的内聚力。

在液体表面，因外部是气体或其他物质，因而表层的结构元只有沿液体的表面展开，其内聚力——价磁力也延液体的表面展开。这些与表面平行的结构元影响到向内的许多层的结构元的排列，这些沿表面展开的结构元的价和力、价磁力构成了液体表面的张力。

可见表面张力是液体的内聚力在物质表面的呈现，因为结构元沿物质表面平行展开，内聚力的方向较为专一，所以在液体的表面联系紧密。在液体内部同样也存在着内聚力，只不过是这些内聚力方向紊乱而且比表面要小，外力如果撕破了液体的表面，到了内部就势如破竹。

当液体分离或混合，构成新的表面，结构元又延新的表面展开，形成新的表面张力。

　　从实验中总结出表面张力是随着温度的升高而下降，这是因为温度升高，价和电子运转的立交角度增加，价磁力方向更加紊乱，内聚力减小，张力当然也就小了。

　　在热水（开水）中，价和电子以较大的角度进行立体运转，价磁力的方向更紊乱，水的内聚力更小，使得水的内部的结构元之间的牵制更小，人体器官的细胞易于对其吸收，热水比冷水解渴也是这个道理。

　　固体的表面　　金属固体是由液体凝固而成，凝固时液体表面的结构元的排列状况也会“遗传”到固体，因而固体表面的硬度和强度也比其内部要大。这种固化的表面虽然只有几微米厚，但在切削加工锻件或铸造毛坯时，这微薄的固化层却能使得刀具较早地损坏。

　　在压力加工时（锻造、冷轧、冷拉等），材料的结构元重新排列，在结构元调整排列时它们也会沿表面附近展开，因而这样加工而成的物体也存在表面硬化现象，在金属工艺中称为冷作硬化。

电流的集肤效应　　电子在导体内总是沿着阻力最小的路线流动。在导体表面及近表层的结构元与导体表面基本平行，电子在其间换位流动阻力较小。而在导体内部结构元呈上下、左右、前后空间排列，电子在其间定向流动要受到五个方向的阻力，而在表面只有三个方向的阻力，可见电子在导体表层附近运行的阻力要比在内部小得多，这样就导致了电流的集肤效应。

当电子在导线内移动时，在其运动的垂直方向伴生着磁场（右手定则），其他电子在磁场的作用下向逐步向周边发散移动，于是移向了导线的表层附近，形成了电流的集肤效应。

温度的影响：在导体内部，电阻产生的热不易散发，温度较高，价和电子运转的速率高，线路不是很扁平，这样就导致了电子通路相对窄小，电阻就高。在导体的表面，散热快、温度低，价和电子运转的速率低，线路扁平，这样就导致了电子通路相对宽大，故而导体表面电阻小，外来电子运行较快，这也是电流集肤的原因之一。

超导电流也具有明显的集肤效应。

摩擦　　摩擦是两物体表面接触并相对运动。摩擦可以生热、钻木能够取火。这是因为摩擦时两物体表面的电子相互干扰，不能按原轨道运行，部分表层结构元损坏，表层附近的原子有失掉电子的危机，于是核心就增加库仑力，以加强对电子的控制，使得核外电子加速运转，核外电子的速度增加使得物质的温度增加。

物质表面及附近的核外电子速率增加宏观的表现就是温度的增加。各个核心增加温度的总体表现就是摩擦生热。摩擦生热和电流的生热一样都是原子核心的自我保护现象，不是什么分子的热运动。

　　摩擦可以生电，用绸子摩擦玻璃棒能产生正电，用毛皮摩擦硬橡胶棒能产生负电。这是因为摩擦造成了电子转移而产生静电现象。这种获取的多余电荷没有归宿，形成了静电电压。多余电荷时时都有离走的趋势，而且这样多出的电子只能在整个物体内占很少比例，是物体原子的群体效应，不能成为每一个原子都得到（失去）电子变成“离子”的理论依据。

微粒　　微粒是表面现象的特例，物质在微粒状态下，其物理性质有很大的变化：钢铁一般不是易燃物体，然而铁的微粒——铁粉，在常温下、在空气里就可以熊熊燃烧；老式面粉厂、纺织厂里的粉尘，在常温下就能产生剧烈的爆炸。为什么同样的物质、同样的原子、分到了细微状态，其物理性质竟有这么大的不同。于是就有人专门研究微粒，形成了一个物理学新支——微粒物理。

几十个、几百个结构元相互结合形成微粒，微粒的表面是弯曲转折的，近表面的结构元之间被迫转折弯曲，折弯处的价电子的运行是不饱满、不舒展的，价和力、价磁力的方向往往不能对正而有些外露。所以微粒容易吸附，在一起时间长了容易结块，容易与其他物质起反应。铁粉外露的价磁力使之与空气中的氧充分结合，使氧化反应不仅仅是锈蚀，而且是剧烈的氧化反应——燃烧。老式工厂里如果粉尘的浓度太大，粉尘与空气中的氧充分结合能形成可怕的爆炸。

随着实验技术的进步，现在人们研究的微粒越来越小，微粒的直径已从微米（百万分之一米）向纳米（十亿分之一米，一个氯原子的直径约为0.18纳米）尺度进展。如今纳米研究沸沸扬扬，为什么人们在已经有了金属键、共价键等化学键理论之后，又来研究纳米？键理论无法解释物质的纳米现象，这正说明现有的键理论的局限，难以阐释客观实在，到了反思的时候。

碳60的出现引起了科学界密切的注意， 60个碳原子组成的一种具有完整表面的微粒，其表面的原子像石墨的原子一样，每个碳原子通过三个结构元与其他原子结合，形成了一个网状的足球表面，表面结构元的价磁力使得碳60呈现出一定的磁性。还有一个结构元向内伸向球的对面，与对面的原子连接。由于这向内的一对价和电子在途时间较长，因而有较大的电子空位，使得球有较强的导电能力，在低温条件下能够形成超导。

结构元与光学问题

光是物质核外电子运动跃迁所发出的电磁波。光由物质发出，反过来又能作用于物质，各种物质对不同频率光照的反应各不相同，光学现象实质上是物质表面的结构元与光波相互作用的结果。

我们在中学就学过，光照在物质上，有的透明、有的被反射。光照在透明物质上会产生折射、反射、散射等光学现象。很多同学都曾思考过，镜子为什么能真实地的照出人、物的像，筷子斜插在盛水的玻璃杯中，为什么看起来筷子是折弯的？为什么会发生这样的现象？

上述种种光学现象是光与物质的相互作用的结果，是自然的物质现象，是物质内（表面）原子的核外电子及其伴生的波对光波的作用的外在表现。既然是相互作用，那么就要探索双方，既要探究光，也要探讨物质，探讨物质内原子及核外电子间何种作用使光发生这有趣的现象。要作光学现象的探讨，就必须了解光，了解物质及其表面的电磁波。

预备知识：

(1) 光是电磁波，电磁波的频率非常宽泛，有长波、中波、微波、红外波、可见光、紫外波、Ｘ射线、γ射线等。可见光是一定频率的电磁波。

(2) 物质内核外电子在高速地运转着，电子的运转伴生着电磁波，所以物质内也存在着电磁波。内层电子运转，伴生着内层的电磁波，价和电子规律运转，同样伴生着一定频率的电磁波。

(3) 核外电子的运转速率随温度变化，并且有一定的速率变化区间。

(4)在物质的表面，沿表面展开的结构元影响到向内的结构元使其与之平行，所以在液体表面或固体的表面，电子运转所伴生的电磁波的方向沿物质表面展开。构成了液体表面的张力，构成了固体的表面。

有了这四条知识的准备再来讨论物质的光学特性就有了依据。

不同的物质对不同频率的电磁波表现出不同的特性，例如可见光能透过玻璃，却穿不过金属，而频率较高的电磁波——Ｘ射线却能穿过大部分金属。这些都是因为外电磁波（光波、Ｘ射线）与物质内电磁波的频率是否相干，外来电磁波与物质表面电磁波相互作用的结果。

如果忽视物质核外电子的规律运转，忽视电子运转所伴生的规律的电磁波，这些常见的反射、折射、透明等物质的光学现象就无从说明。

透明 所有物质都是由原子核及高速运转的核外电子所构成，绝大部分物质都把光波拒之于外，或反光、或散射。为什么有的物质却能透明，如玻璃、有机玻璃、水等，能让光波在其间畅通无阻？为什么有的金属物质却能把光波全部反射出来？

光是一定频率的电磁波，这可见光电磁波在玻璃里面畅通无阻，电磁波在二氧化硅里来去自由，只有少量的折射。其原因是：（1）二氧化硅内部的核外电子运转伴生的电磁波的频率与可见光的电磁波频率相差甚远，互不相干。（2）二氧化硅内部的结构元不密集。（3）玻璃表面密集的电磁波没有形成对可见光的完全阻挡，只形成少量的反射。

可见光照射在水或酒精里情同此理，是因为（1）水的价和电子频率与可见光的频率相差甚远，互不相干，没有形成对光的阻扰。（2）水面密集的电磁波没有形成对可见光的完全阻挡，只形成少量的反射。

由于不同物质的核外电子速率不同，对不同频率的光波的透明度也不同，例如陶瓷、橡胶对可见光是不透明的，可见光不能穿过，但红外线却可以轻易地穿过，也就是说陶瓷、橡胶对红外线是透明的。陶瓷、密氨塑料对微波是透明的，所以用它们制成微波炉内的食物容器。

反射 反射，大家都很熟悉，照镜子，大家司空见惯，这里面就蕴含着光的反射原理。反射是光波与物质内核外电子运转所伴生的电磁波相互作用的结果。

镜子的前部是玻璃，是用来保持平整，透过光线的。起反射作用的是背面那薄薄的金属镀层。光的反射就是在这金属镀层的表面进行的。

由于金属结构元的排列紧密，在金属表面核外电子所伴生的电磁波更加密集，原子间是靠价和电子高速运转所伴生的价磁力维系其结构，高速运转的价和电子伴生着电磁波，金属内的电磁波稳定、有序、相互接力，这样的电磁波密集强大，形成整体。自然光波不仅不能进入金属内，反而被密集的电磁波所反射，所以光洁的金属表面有漂亮的金属光泽。

可见光——这一定频率的电磁波，遇到了玻璃后面的金属层（铝或银），光波被金属物质表面密集的电磁波所阻挡，如同碰撞到铜墙铁壁，进不去，或进了表层，在内层也会被挡回，形成了全反射。

因为金属内密集、稳定、有序的电磁波在微波、红外波、可见光等很宽的频率范围内对外来电磁波有反射作用，所以现在的节能玻璃、汽车的防晒膜都涂有金属涂层，通过反射隔热，达到保温节能的效果。金、银对红外线的反射能力最好，高级的汽车的防晒膜含有金的镀层。

现在人们在实验室对各种金属对各种不同频率的光波的反射能力都有精确的测试，这正说明金属的核外电子的运转是规律的、稳定的。

反射与折射 光波在进入透明物质时，反射和折射经常是同时发生。

在学物理光学时，很多同学都想过这个问题：光波在进入透明物质时，为什么会有反射的同时又有折射？如果门关着，光进不去，会形成全反射；如果门开着，光就都进去了，不会有反射了。是什么机关使光“进一半、留一半”既折射又反射？

这是大自然在提示人们要关注物质，关注物质表面的波。

在物质的表面，这些沿表面展开的结构元影响到向内的结构元与之平行，构成了液体表面的张力。可见表面张力是液体的内聚力沿表面的表现。液体表面核外电子所伴生的电磁波更加密集。

结构元是由核外电子（价和电子）运转所形成的，从一个方向看过去，这些运转既有顺时针，也有反时针，即所伴生的电磁波有正向，也会有反向。

光线照到物质表面，光波与物质表面的电磁波同向的顺着溜进去了，受到一些拖曳，改变了一点角度，形成了折射；光波与物质表面的电磁波对着的则进不去，相当于碰壁，形成了反射。两种方式同时作用就形成了玻璃或水面的光的折射与反射。如图8-1

因为各种物质的原子半径与价和电子的速率各不相同，导致不同物质有不同的折射率。因为是光与物质的作用，物质表面的电磁波沿表面密布、展开，所以入射角增大，进入物质内的光减少，折射光减弱，直至形成全反射。

由于反射和折射是光波与物质的核外电子所伴生的电磁波的相互作用，所以反射和折射不是任何频率的光都能形成的，其中也有匹配的问题，只有在一定频率范围的光波能与某些透明物质发生反射和折射，而且折射率是随入射光的光波频率变化的。这些事实，也可以作为证据，证明了物质的核外电子运动的规律性。

色散 把一束普通光源的白光照射在三棱镜上，经过进出三棱镜的两斜面的两次折射，发射出了的是“赤橙黄绿青蓝紫”彩色条纹光。教科书上把这种现象叫做色散。(图8-2)

色散现象表明，白光是由这七色不同波长的光波组成，问题是三棱镜是如何把这些不同频率分开，而且三棱镜还识数，是按“赤橙黄绿青蓝紫”光波频率由低到高顺序排列。

三棱镜的色散的现象发现至今已有三百年了，色散的原理是什么？却不明了，当今物理学只介绍了三棱镜的色散的现象，未能解释色散的原理。忽视物质核外电子有规律的运动，忽视三棱镜表面电子规律运转所伴生的电磁波，是难以解答三棱镜的色散原理的。

图8-2 光的色散

三棱镜表面电子规律运转，伴生着规律运动的电磁波。外来不同频率的光波受到棱镜表面规律电磁波的作用。红光波长较长，在通过三棱镜表面时受到高频运转价和电子的电磁波的拖曳较小，因而折射的偏折角较小；紫光波长最短，在通过三棱镜表面时受到价和电磁波的拖曳较多，折射的偏折角较大，因而位于七彩光的最下方。

三棱镜的色散现象是核外电子规律运转的又一实验例证。光波的反射与折射，光电效应等光学实验都在证实核外电子的规律运动，而且还证实了规律运转所伴生着的规律的电磁波。正是这些有规律的电磁波与光波相互作用，才会发生这些种光学现象。

当然，以上反射、折射、散射原理的假说，还可以用实验进一步证明。实验方法可采用不同频率的激光照射金属，观察金属的反射频率范围。用不同频率的激光照射三棱镜，观察棱镜的透射变化。

激光 一般常见光源如日光、灯光、火光在散射实验中都效果明显，说明普通光源是由很宽范围内的不同频率光波混杂而成。物质的发光是来自核外电子的跃迁辐射，那么，这些不同频率混杂的光波则是应该来源于各个能级的不同速率的核外电子的辐射。核外电子的轨道方向是自然分布的，因而这些普通光源的辐射是向空间四散，所以人们常用光芒四射来表达普通光源的发散方向，人们对光的频率混杂、方向发散习以为常。

1960年贝尔实验室的梅曼等人制造了第一台激光器，发出了频率集中（单色）、方向集中（定向）的新光源——激光，揭开了科学技术的新篇章。在第二年，我国的科技人员也研制成功了红宝石固体激光器。

接下来，人们研制成了半导体激光器（1962年）、染料液体激光器（1966年）、氦氖气体激光器，以及“自由电子”激光器。

人们为什么对激光器如此有兴趣，因为激光有四大特点：

（1）方向性好。激光是一束方向几乎不变、发散角度很小的平行光，在数公里外光斑扩散范围不过几厘米。

（2）亮度很大。由于方向性好，又能把能量在极短的时间内释放，形成超短光脉冲，于是形成光能在空间和时间上的高度集中，光能如此集中，亮度自然就大。

（3）单色性好。激光具有十分单一的频率，频率集中稳定，波长几乎一致，光的颜色很纯，单色性非常好。

（4）相干性好。激光不仅频率稳定，而且光束横截面两点之间的相位差不随时间变化，所以激光具有很好的相干性。

由于激光具有以上特点，可以在激光测距、激光加工、激光治疗、激光雷达、激光制导、激光武器等方面得到广泛的应用。

激光为什么能有这样些突出的特点，我们先来见识激光器的结构。图8—3是一台红宝石激光器的简图，激光器一般由激励能源（闪光灯、反射罩），谐振腔（两端各一个反射镜）、发生物质（红宝石棒）三个部分组成。

图８—３ 红宝石激光器

我们就以这台红宝石激光器来看激光是怎么形成的，也谈谈激光发生原理：工作时，激励能源通电，氙闪光灯发出高频强光，直接照射和周围的聚光反射罩把强光都聚集在发生物质——红宝石上。

红宝石的主要成分是三氧化二铝晶体，并掺有万分之五的氧化铬，掺杂提高了晶体中部分价和电子速率，还增加了价电子吸收辐射提高自身速率的趋势。红宝石吸收径向聚集强光的辐射，提高了自身的核外电子的速率，并向低能量方向发出辐射，因为径向受强光照射，只有轴向是低能区域，于是受光的红宝石向轴向发出辐射。因为晶体的核外电子的速率是相等的，所以轴向发出辐射的频率基本相同。

谐振腔由装置在晶体轴向两端，相隔一定距离的两片反光镜组成，其中一片为全反射镜，另一片为95%的反射镜。红宝石沿轴向所发出的辐射受到反光镜的来回反射，在红宝石晶体内反复穿行，规则的晶体、等速的价和电子运转使得穿行的光波的频率、相位更趋向一致，形成振荡，光强迅速增强放大，并从95%反射率的一端发射输出，形成激光。

正是因为激光器中发生物质——红宝石的核外电子规律定速地运动，才能辐射出频率稳定、相干性好的激光。如果没有核外电子与外界的互动——吸收辐射，向外界发出辐射，发生物质如何能发出激光？如果核外电子都是无规律的电子云，哪来单色性好，相位差一致的激光？

在液体激光器的发生物质中必须加入溶剂染料，某一颜色的染料能反射某一颜色的光波，说明该染料的核外电子速率十分稳定，正是因为有了这稳定的核外电子速率，才能辐射频率稳定相干的激光。

半导体激光器的发生物质是半导体，实质上就是半导体二极管，它的激励能源不是光，而是直接用普通的直流电。电流在进入二极管ＰＮ结时，能使核外电子增加速率，一般的表现是半导体物质发热（发出红外线辐射）。然而有某些掺杂的半导体物质如砷化镓等，自身的核外电子速率就快，通电后以更高的速率发出辐射——发光，这就形成发光二极管。有的半导体物质的发光区域就在ＰＮ结处，然后人为地在ＰＮ结的上下、左右制成毛面以利光的漫反射，前后端面则磨成光洁平行的平面，以形成谐振腔，反射自身所发光，经过谐振，就能发射出激光。

所谓的“自由”电子激光器中的电子不是自由的，而是稳定谐振的电子束，稳定的电子束在磁场中以一定频率的摇摆运动时，电子运动所伴生的同频率的电磁波相互加强，在前后两反射镜间发生谐振，形成单色相干的激光。电子稳定运动才能伴生出同频率的电磁波，自由电子的提法与事实不符。

激光的形成，来源于发生物质内核外电子的辐射。具有四大特性的激光发生，给核外电子规律运转提供了有力的实验证明；给核外电子规律运转伴生着波，以及核外电子吸收外界辐射、向外界辐射，与外界进行着频繁交流的自然事实提供了有力的实验证明。晶体、液体、气体都能作为发生物质，说明核外电子规律运动是物质的普遍性质，正是因为物质核外电子规律定速地运转，才能辐射出频率稳定、相干性好的激光，

光电池 光电池实质上它是一种把光能转换成电能的转换器。由于光电池性能稳定、寿命长、不污染环境，所以越来越获得广泛的应用。人造卫星和星际空间站几乎全都是用太阳能电池为其提供电能；太阳能航标灯、信号灯已随处可见；太阳能汽车、小艇亦有不少的研制和试用；装有光电池的手掌计算器、游戏机也时有所见。

现在，最常用的是硅半导体光电池，它是在N 型硅片上（单晶硅中加少量的五价的磷）用扩散法渗上薄薄一层硼，再配以电极制成（图8-4）。 在N 型硅片上有多出电子的趋势，而渗上的一层薄薄的硼则有缺少电子的趋势，在两种材料的结合处形成了PN结。

图8-4

在阳光（或其他光）的照射下，某一频率的光波与硅、硼结构原中的价和电子运转的电磁波形成共振，振开了部分结构元，使电子运行紊乱。在阳光（电磁波）的辐射之下，光电池的表面电子速率加快，使电子运行紊乱加剧，并形成了一定的电压。

由于PN 结的单向导电性，紊乱的电子不断地由N 区移向P 区。移到P 区的电子在PN结受阻挡，不能反向运动，这样，在P 区有多出电子，而在N 区则缺少电子，于是在N、P两极间产生了电动势，形成回路之后就能源源不断地进行电子的流动——形成电流。

由于阳光的频率带很宽，从红外到紫外光，而硅的价和运转频率相对较窄，阳光中只有一小部分频率的光波与光电池中的硅价和频率形成共振，所以光电池的效率不是很高。若要提高太阳能电池的效率，一是对部分光实行频率转换，二是在太阳能电池中综合多层其他价和速率的物质。

　 结构元与化学问题

化学反应　　在化学研究中，有些物质能够相互起反应，产生化学变化，生成新物质，有些物质在一起则不能起反应；有的反应容易，有的则很困难。对于这样一些问题如果运用物质结构原理，考虑到原子的直径、核外电子的稳定趋向，考虑到电子的速率及其变化，注意到价和电子所组成的结构元在其间的作用，将会使思路更开阔，将能使人们对物质间结合及变化的认识更进一步。

　　化学反应的过程是物质重组构成新物质的过程，其实质是破坏原来物质的结构元，而重新组建新的结构元的过程。在化学反应过程中，建立了新的结构元体系，新的物质就构建形成。物质的每个原子的核外电子数是稳定的，那些失去电子、得到电子之说是值得商榷的。

　　物质间的结合，首要的趋势是使核外电子数达到或趋近稳定状态，能够起反应的一般是价电子速率相近，或是价电子易于调整速率达到一致的物质。

　　在化学反应中有的物质性质活泼，能与多种物质起反应，一般来讲化学性质活泼是因其价电子速率可塑性较大，能在较大范围内随其他物质的价电子速率变化，达到同步结合成新结构元，如氧元素及一些轻金属钾、钠、钙等。

　　催化 在一些重金属元素中，其价电子速率受到大量的稳定、高速旋转的内层电子的牵制，因而其速率相当稳定不易变更，组成的结构元不易被破坏，故其化学性质是十分稳定的。

当有的其他物质的分子经过这些稳定的结构元的表面时，这其他物质的价和电子的速率会受到这稳定价和电子的牵制而更变速率。这样就使得原来因速率不能同步而难以进行的反应，因速率的变更而变得容易快捷，这就是催化作用。

所以催化剂一般都是重金属元素,或是其他价和电子速率相当、运转稳定的物质。这类物质在用作催化剂时，应尽量扩大其表面（做成蜂窝状等），使反应物质能更多地与这些表面接触，以改变速率。催化剂在化学反应中丝毫无损，它只是在反应中起修改反应物质的部分结构元的价电子速率的作用。

反应加热　　在化学反应中有许多反应是在加温条件下才能进行，为什么？这是因为化学反应的过程是在损毁原来结构元的同时，单个原子（原子团）间进行重组结构元的过程。

加温同时也就是在加快价和电子的速率，以利价和电子在改变速率时相互调整，重新组建新的结构元，所以加温能加快化学反应速度。有许多反应，尤其是某些固体物质（因固体内价和电子运转稳定且相互牵制）只有在加温条件下反应才能进行。

除了催化、加热之外，光照、微波、激光也都是促成某些化学反应的手段，为什么这些种光波——电磁波能促成物质的化学反应？这是因为物质的核外电子运转时伴生着电磁波。上述种种光波能有选择地与物质电子运转时伴生着的电磁波发生作用，从而改变了核外电子的速率，使常态下不能形成的化学反应立即发生，用波的手段催生成新的物质。

当然也有少数物质在反应时须降温，这里降温也是改变参与反应的物质的价和电子的速率，以利反应的进行。

反应吸热、放热 在化学反应中有许多反应是吸热的，这是因为反应后新生成物质中的价和电子速率较高，反应时要吸收周围热量，如光合作用。

当然，在化学反应中也有许多放热反应，这是反应后新生成物的价电子之和达到稳定状态（8或８的整数倍，如水、二氧化碳等），新生成物核外电子稳定饱满，价和电子速率较低，参与反应物先前的核外电子速率很高，反应后生成物的核外电子速率较低，反应过程中电子要降低速率，释放一些热量，向周围发出电磁辐射、发光，燃烧。如果释放的热量足够大，使物质在瞬间发生相变成气体，则引起爆炸。

 光化学反应 光能使某些在黑暗中不能进行的化学反应变为可能，而且还能加快反应。阳光能使塑料老化、布匹褪色、胶卷感光。这些反应中，有的是光与空气中的氧共同作用，反应缓慢进行；有的反应的原理与光电效应的原理完全相同，如胶卷的感光，某些光敏化学反应，其与光的反应十分迅捷。

在这快速反应中，光照的电磁波的某些频率与物体中某些价和电子的频率一致，光波的某些频率与价电子的电磁波形成共振，振开了某些结构元，价电子在其间重新组合，构成新的结构元，形成新物质。在光的促成下，这个光化学反应迅速地完成了。

激光的发现，人们就又有了一把探索核外电子速率的钥匙，激光有准确的频率，激光与电子运转所伴生的频率相同的波发生干涉，就可以判定该物质核外电子运转的准确速率。

人们还可以根据光化学现象，求得物体中某些价和电子的速率。

中温光谱分析 人们对原子结构及电子运动的认识，是在原子的光谱实验中确立的。

光谱实验是以火焰、电弧、高压电等方式把物质加热成灼热气态，周围是常温，高温状态下的气态物质能辐射不同波长的光，经过分光器的散射，得到物质的光谱，这个光谱只是高温气态物质的光谱，反映的是高温气体物质的核外电子运动状态。

想要了解固态、液态物质的核外电子的运动状态，则要在中温条件下让这些物质发生辐射，分析中温辐射的光谱。

处在较高温度的物质向外辐射着电磁波，是因为周围的温度低，存在着温度差。物质的辐射是相对的，向外辐射电磁波是物体传热的方式之一。高温度的物质向外辐射着电磁波，低温度的物体则不断地接受着辐射来的电磁波，并提高自身的温度。

这里高温、低温是相对的，只要温差大，较热的物质就会发出辐射。于是我们就可以依据物质的这一特性，拉开温差，使被测物质处于中温，置于很低的环境温度之中，于是就会发生中温辐射。

例如，把待测物（一块铜、铁、硅、玻璃等）加热到800Ｋ，最好能保持这个温度（包起来，留一小口，如同黑体辐射），然后把待测物置于100Ｋ的低温环境中。这时待测物就会向外发出电磁波辐射，收集这种电磁波并对此红外线进行光谱分析，就可以得到该固体物质的核外电子的运动信息。

就目前人类的科技能力对红外线进行光谱分析还有一定的困难，但目前人类已经发明了水平很高的红外线夜视仪，能把红外光转换成可见光。相信人们不久就能找到新材料，克服困难，作出漂亮的中温光谱分析，向认识物质前进一大步。

绿叶问题 植物的光和作用，其实质是一个光化学过程，这个过程与核外电子的速率息息相关。

植物是有机物，有机物主要是由碳、氢、氧等元素构成，植物年年生长，生生不息，就需要大量的碳氢氧作基本原料。大地上的水本身就是氢和氧，可是土地里极少有可供直接吸收的碳，然而在古老的地球上，空气中含有大量的二氧化碳。于是原始的植物就从空气中的二氧化碳里吸取碳。

二氧化碳的两个结构元结合十分紧密（碳、氧原子，由双价和轨道环绕），价电子之和为8×2，而且进行着稳定有序的空间运转，如何能打开这两个结构元？

这两个结构元的价和电子速率固然十分稳定，但其运转所伴生的电磁波波长恰恰与阳光中绿光的波长一致，于是植物就长出了绿色的叶片，绿叶将阳光中的绿光反射出来，与二氧化碳的价和运转伴生的电磁波形成共振，振断了价和电子的运转、破坏了结构元，及时地把碳原子结合到体内，剩下的二个氧原子结合成氧气，这新结合成的氧气吸收热量、增加价和速率、乘风而去，（夏天，树阴下比较凉爽，是因为新氧气的吸热）就此，一次光和作用成功地进行完毕。

绿叶就是这样利用太阳的能量由光和作用以获取碳，这也是叶绿素为什么是绿色的原因，从这种意义上讲，我们地球上的森林、原野都是由二氧化碳染成了绿色。

氧、氢和水

氧和氢 氧是地球上含量最丰富的元素，氧的化学性质十分活泼，它能与元素周期表中的大部分元素起反应，形成种类繁多数量巨大的氧化物大家族。地球上的山川、岩石、土壤、江河湖海里的水都是氧化物。

氧气的价电子速率很高，蕴含较大的动能，所以氧气在与其他物质起反应时，氧的价电子经常是降低速率，放出大量的热量，反应十分剧烈，如：燃烧、爆炸；但有的氧化反应十分的平静，悄悄地、顽强地进行，如：铁生锈、铜生锈。氧的这些特性，都是由其两个活泼好动的价电子所引起的：

氧的原子序数是 16 ，内层电子按2、8排列，十分稳定。外层的6个价电子不可能在原子周围形成均布的运转，于是有4 个价电子在次外层，剩下两个价电子在最外层，这些个电子不仅速率很高，而且最外层电子受内层电子的牵连较小，速率的可塑性很大，能快能慢，所以氧的化学性质十分活泼，能与许多物质起反应，生成了种类众多的氧化物。

氧原子的半径很小，两个最外层价电子速率很高，它最喜欢与原子半径小、价电子速率高的氢、碳相结合。所以人们就利用氢或一氧化碳从其他氧化物中把氧给结合出来，提纯别的物质。于是人们就把这些更易于与氧结合的物质叫做还原剂。还原剂与氧化物中的氧结合形成新的氧化物。而原来的氧化物失去了氧，形成了纯的物质，这就是化学中所学的氧化还原反应。

氢元素的原子半径也很小，而且只有一个核外电子，这个电子的速率极高，所以氧很乐意与氢结合，一个氧与两个氢的结合就形成了水，形成了占地球表面70% 的江湖、海洋。

水 水是我们最常见的物质，我们天天喝水、用水，动植物的生存都离不开水，水是生命之源.人们把水的凝固点作为记录温度的零点，并把水的沸点定为100℃，即把水的相变点作为温度的标尺。

人们已经知道它的成分是一个氧、 两个氢的组合，即H₂O。一个氧、 两个氢的结合使得共有的价电子数正好是8个，氢与氧的结合释放了大量的能量，所以水是氢与氧所处在的稳定状态，价电子速率相对较低，是该两元素的核外电子释放了能量之后的低能量状态，价电子速率已经很低，再也不能向外释放能量。那种说在水中加入少量的物质就能点灯、能开动汽车，显然是骗人之谈。

水以云、雨、溪、河、湖、海、云的形式在自然界旅行。然而至今，大自然给其娇女——水所盖的面纱还没有揭开，人们对水的倩容，既看得见、又看不清；她既楚楚动人，又深邃神秘。我们天天喝的、用的水竟给世人留下这么多的谜：

烧水时为什么水开之前总是丝丝作响，水开了就不响了？

为什么水在4℃ 时密度最大，4℃ 以下时越冷，反而体积胀大？

为什么水在低气压下沸点降低，在高原上不易把饭煮熟？

雪花为什么是六边形的？

水的自然蒸发 H₂O 在0℃到100℃之间是我们最常见的液体——水。

一个氧和二个氢原子结合成的两个连环的结构元，形成一个水分子，这是组成水的基本单位。在这些结构元中，价和电子的旋转线路不是在一稳定平面，而是旋转时在一定的角度范围内扭转，因而其价磁力的方向不稳，水分子挤在一起成链、成团，时合时分。

水中含有少量的氧分子，鱼就是靠水中的氧生活，这些氧气在水中有时与H₂O中的氢结合，把氧置换出来，从而增加了水的活力，增加了水中某些分子的价和电子的速率。在氧气分子中的价和电子的速率较水中的氢氧结构元高得多，这些高速率的价和电子进入水中，使一氧二氢组合成的二连环的结构元具有花生状的饱满壳层，斥力使之与周围的水分子推开距离，升到空中，形成水蒸气。这就是水的自然蒸发。

水的自然蒸发的重要条件是要与空气充分地接触，所以小口瓶里的水自然蒸发得慢，盘子里的水自然蒸发得快。空气流动快时，空气中的氧气窜入水中的机会增多，水中的含氧量增加，含氧量增加了，也就加速了水的自然蒸发。有风天晾的衣服干得快，就是这个道理。

温度低时，空气中的氧气的核外电子降低速率，运转的线路由橄榄球状到立交，产生破口，形成鼓状，借破口处的价磁力造访水中，使水中含氧量增加；温度高时水中的氧速率加快，由立交鼓状运转进入球状运转，氧结构元斥力增加逃逸出水中，使水中含氧量减少。所以闷热天鱼常常感到缺氧。

水烧响了 我们平时（在一个标准大气压下）烧开水时，水温到了80℃ 以上，我们就可以听到水中发出丝丝的响声。人们都有这个经验：水响了就是快开了，水开了就不响了。

水为什么响？小孩们常常提这个问题，教科书上没有提及。

水烧热了，价和电子的速率升高，旋转扭角增大，价磁力方向散漫，分子间的引力越来越小，成链成团的水分子，都要挣开先前所在的链或团，为大规模的汽化作准备。无数个分子在挣开羁绊时，都会与背后的分子“碰撞”，都会引起振动，无数个振动的“大合唱”就是烧水时的丝丝声。

水开时，这些H2O中的链或团基本都扯开了，响声也就渐渐没有了，二连环的结构元基本独立，从里到外与周围的分子推开距离，跃向空间，水沸腾了。

水的密度 水在4℃ 时密度最大，高于4℃ 时，具有一般物质的共性——热胀冷缩，其原理是价和运转的半径在温度高时略有增加。怪的是在低于4℃ 时它却反常——冷胀热缩。这是自然在给人类出难题，还是有意露出蛛丝马迹，施展自然的魅力，引人入胜。

前已叙及，在水中，结构元是成链成团的挤在一起，在温度降低到4℃ 以下时，价和电子的速率降低，趋近平面运转，准备进入固体状态，由于水分子是两个氢一个氧呈双连环的结构元，其价和运转速率降低趋近平面时，是两个相互垂直的椭圆平面，价磁力也是在相互垂直的方向趋稳，价磁力试图把邻近的双连结构元相互联系到相对固定的位置。这样就导致了分子“氢氧氢——HOH”之间的价磁力的对位，使分子结构元间排开位置，为凝固作准备，不象4℃ 时或以上时挤在一起，故而占据较大的空间。温度越低，价和运转的线路越平正，价磁力对位越正，分子之间的间隙越大，参入对位排列的分子越多，占据的空间更大。此时就形成了水的冷胀现象。（图8-5）

到结冰时，所有的价和电子都在相对固定的平面稳定运转，价磁力更为稳定，使得分子之间进一步对正位置、拉开距离、排列整齐，所以冰也是冷胀热缩，而且冷胀力量很大，在隆冬，冰常常冻裂了水管、水龙头。正是因为冰的密度较小，浮在水面，保护着冰层以下的生物。

在很低的温度条件下，二氧化碳也会由气态相变成液态，直至固态，二氧化碳凝固时“氧碳氧——OCO”也存在拉开对位，所以二氧化碳凝固时也会冷胀。在很低温度条件下，冰或干冰所有的结构元都对位整齐后，温度再降低，它们又会出现冷缩。

前面所讲的固体是单一的金属和非金属，或是其内部嵌合其他元素，如：钢是铁中嵌合着碳；食盐是氯中嵌合着钠，其内力分别是价磁力和价和力。它们的结构元之间对位自然整齐，不存在拉开距离对位，所以不会冷胀，仍然保持着热胀冷缩。

而冰和干冰等化合物则是另一种固体，它们的价和运转首先结合成双连环的结构元——分子，低温时，两价和运转逐渐近于交叉的平面，分子之间靠这种价和运转所透出的价磁力相互吸引，形成固体。这种价磁力的对位是分子间的，间隔较大，于是就导致了这类固体物质的内聚力小。但其实质仍然是价磁力，只不过这是由不同原子经价和运转组合成分子（达到稳定状态）之后所剩余的价磁力，因而这种价磁力要比及金属原子间的价磁力要小得多，这就是现代文献中所介绍的范德华力。

气压与沸点 液体的沸点，一般都随周围大气的压力变化，当气压低时，水的沸点就降低。在6000多米的高原上，气压较低，水到80℃ 就开了，水开始了全面的汽化，温度不再升高，饭也煮不熟。而在压力锅内，由于气压高，价和电子必须得有很高的速率才能达到沸腾，所以锅内的温度也高，超过了100 ℃，这样，用压力锅做饭菜很快就熟了。

由于在气体的分子中，价和电子是在进行立体运转，运转所形成的壳层使分子之间相斥，压力大时，分子之间距离被迫靠近，价和电子所产生的斥力相互干扰，各核心就增大价和电子的速率以增大斥力，价和电子的速率高，物质的温度就升高。反之，压力减小，分子之间距离增大，价和电子的速率相应较低。

水在较大的压力之下，价和电子必须有更高的速率，才能产生足够的斥力，以形成汽化。而要使价和电子有较高的速率，必须得有较高的温度，所以压力大时，水的沸点就高。

在高原气压低时，水的价和电子的速率不需很高，就能有足够的斥力，分子间就已经能够推开距离，达到了发生汽化的条件。即水温不是很高时，内部汽化已经发生，所以沸点较低。

液晶 液态的晶体，一种介于液态和晶体之间的物质。说它是液态，是指它的整体形态能像液体一样有流动性和连续性，说它是晶体，那是因为原子之间像晶体一样规则有序地排列，具有远程有序的特点。

水分子凝结成冰，冰结构之间的聚合力虽然不大，但仍然能形成坚实的固体。而液晶物质的原子结合成分子之后，所剩余的价磁力比冰的价磁力还要小很多，较小的价磁力抵御不了地球的重力，不能形成自立的固体，但这价磁力的存在却不容忽视，价磁力能够维持分子之间规则有序的内聚，因而造就了水平方向整齐有序，垂直方向不能自立，只能规则整齐地坍在那儿、形似液态的晶体——液晶。

液晶发现于1888年，由奥地利植物学家首先合成并确认。在冷清地度过了100年后，而今液晶成了学界商家竞相研发的对象，陪伴人们生活的新宠。

液晶受到宠爱，是因为它有很奇妙的光学特性，目前广泛地用来制作各种显示器，今天我们手机的屏幕、数码照相机的取景屏、笔记本电脑的显示器乃至能挂在墙上液晶彩电，都离不开液晶。

液晶的内聚力不大，不能自立成晶体。表明它的价磁力不大，价磁力不大表明价和电子的速率不是很高，运动惯性不大，容易受到外界的干扰。平面方向的价磁力尚能建立水平的连续有序的连接，垂直方向的价磁力还不及自身的重力，所以垂直向分子之间是坍塌的结合，垂直方向的结构元不是舒展的，垂直方向的价磁力不是正对，而是歪斜的。

事实也正是这样，外界不太强的力、热、光、电、磁都能改变其价和电子的速率、改变价和运转平面的方向，从而改变了价磁力的大小、方向，使分子之间发生微小的对位，就是这微小的位移，使物质的光学性能发生了显著的变化，原来不透光的变得透明，而且还能发生折射，早期的液晶多是利用了这种透光特性，如用于计算器、电子手表的黑白液晶显示器。

液晶分子间的连接规律有序、整体性强，核外电子运动步调整齐一致。局部受到外界干扰，即外界不太强的热、光、电、等，都能加快电子速率的能量加入，接收到能量的核外电子速率立刻提高，周围稳定运转的价和电子阻止部分电子速率提高，受能电子就立即把多余的能量以光波的形式辐射出，以维持整体的运动步调一致。加入的外能量多，辐射的频率高，光波呈蓝色；加入的外能量少，辐射的频率低，光波呈红色。

如今的电子电路的数字化，把有各种细微不同的、变化的电能传递给液晶屏幕的各个点阵，各个点阵立即作出相应的辐射、发出不同色彩的光，于是就形成了彩色的液晶显示器及各种液晶彩电、手机的彩屏。

液晶的存在及上述各种神奇的功能，给核外电子规律运转提供了实验证明；给核外电子规律运转伴生着波，以及核外电子吸收外界辐射、向外界发射辐射，与外界进行着频繁交流的自然事实提供了实验证明。

酸性与碱性

我们在中学就学到了物质的酸碱性的知识，酸性与碱性是物质的重要的化学特性。物质的酸碱性是怎么来的？下面我们就从物质价和电子的运动入手，讨论酸碱问题。

我们以上谈到的水是自然界氢和氧的完美结合（原子半径相近、核外电子速率相近，共有核外电子数为8）。如果氢和氧没有形成完美结合，那么，它们的核外电子的运转就不舒展，就形成了物质的酸性与碱性。

碱性 在碱性物质中必定有氢氧根，而且氧的最活泼的二个价电子中，一个价电子与氢原子结合，另一个价电子与其他金属的原子结合，就形成了碱，如NaOH 。碱性物质有很强的腐蚀性，只有与酸性物质起反应后碱性才能减小或消失。

在碱性物质中，一边为氢氧结合，氧的一个外层价电子与氢仅有的一个电子形成价和运转，在这个所形成的结构元中，两个价和电子运转的速率与其故有的速率一致，运转的半径也与其故有半径相同，所以形成的结构元十分牢固稳定，一般不易解体，人们称之为“原子团”。

而在另一边，氧的另一价电子降低速率，与一个价电子速率较慢、半径大得多的金属形成价和运转。所以氢氧根这边的价和电子运转了几圈，氧与金属那边的价和电子才运转一圈。

物质的碱性，实质上是氧元素的两个最外层价和电子运转不同步、不和谐造成的，其中的一个价和电子运转的线路长、速率慢，与故有的速率相去甚远，与另一边的价和运转不同步、不舒展，因而表现出的趋向或达到故有速率，趋向同步运转的特性。

这种两边不等的运转对中间的氧原子来说是不和谐的，它急于要找到一个速率高、半径小的价和运转轨道，这种运转轨道哪里有？氢原子或含氢物质是最理想的，所以在碱性物质中，不舒展的氧总是在溶液中与水争夺氢，或是与水结合，得到稀释。

有机物一般都含有氢，所以碱性物质极易与有机物发生反应，此反应破坏了有机物原来的构成，表现出很强的腐蚀性。

酸性 酸性物质一般都是由氢与其他元素化合而成，氢与这些元素的化合一般都是使共有的外电子数趋近稳定状态。

氢原子的半径小，仅有的一个电子速率极高，在酸性物质中这个电子与另一元素结合成结构元。由于这另一元素的原子半径一般都比较大，价电子的速率也比氢元素的价电子故有速率低得多。所以，在这样低速率的价和运转中，不能满足氢原子核各面对电子的需求，这些不满足、不舒展的氢原子在溶液中不断地与水中的氢争夺、交换位置，以求得与氧舒展的结合。然而这种结合只能是暂时的，从整体上看，酸中的氢是不舒展的。于是酸性物质强烈地具有与半径小、速率高的氧原子结合的趋势。这种趋势的实质就是酸性。

氧元素的价电子的故有速率与氢相近，而且在碱性物质中，其氧原子中的一个价电子是不舒展的，所以酸性物质有强烈的与碱性物质结合的趋向，如果遇不到碱性物质，浓酸则与空气中的水亲和，与水亲和会使自身得以稀释，即会有更多的机会与水中的氧结合、换位。于是有的升到空中与水蒸气结合，如盐酸；有的则把空气中的水汽拖入溶液中，如浓硫酸。

酸的这一亲氧、亲水的特性，使酸易于与有机物结合，以争夺其中的氧，在夺取氧的过程中使有机物遭到损坏，宏观的表现就是有强烈的腐蚀性。

在浓酸中，不舒展的氢不断地加快自身的价和电子速率，力争在溶液中与水中的氢换位、与氧结合。而酸在稀释后，溶液中的水的含量相对增加，使得这种换位相对容易，于是氢的价电子速率降也有所降低，宏观的表现是稀释时放热。稀酸中氢的价电子速率较低，能与一些金属及其氧化物反应。所以浓酸与稀酸的化学性质有所不同。

酸能与一些活泼的金属起反应，让金属顶替酸中不舒展的氢的位置，氢则置换出来，两两结合成为氢气。

顺便说一下，在文中经常提到，由价和电子和结构元构成各种物质，这各种物质，当然也包括有机物。有机物一般是由碳、氢、氧等几种原子半径小、价电子速率高的元素所组成，这几种原子在一起，它们的价电子能舒展地相互结合，十分协调。因此才能组合成性能较稳定、形式多样、丰富多彩的有机世界。

正是因为有了这些协调稳定的价和运转，才能把相同或不同原子结合成稳定的结构元；价和运转形成价和力、价磁力使得结构元相互结合、吸引，有机物才能形成，才能构成较大的分子；ＤＮＡ的四种碱基也是由价和力、价磁力使得结构元相互结合、吸引，才形成特有的双螺旋结构，才能形成ＤＮＡ的复制。

正是因为有了这些协调稳定的价和运转，有机物才能在一定条件下形成生命，生命才能进化。

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