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09原子核和核外电子大树形接触型結构探索

地址： 四川彭州市竹瓦中学校 邮编：611934

关键词：安培力 双中子结构 单中子结构 大树形 接触式结构

摘要:核科学的发展已经达到了夸克層次但核力、核的具体结构还是一个物理学中的理论断层，还没有人士能清楚破解核外电子都具有特别强的规律可寻，为什么核内质孓没有呢现有实验已经证实质子上正电荷是集中在一点上，核内质子处于高速自旋假设自旋线速度处于一个极限速度，很容易算出安培力的大小再与库仑力相互作用，得到一个在1－3个质子直径范围内表现出吸引在此范围之外表现出斥力；从而得到核力的大小和性质。由此推导出核内质子的排列是间隔1－2个中子组成称双中子结构和单中子结构；在第二层外分别分支节分叉后成为3、5、7支分支，上下合茬一起共分出不同层次每个层次正好存在6、10、14个质子，这与核外电子排列规律完全吻合也说明核外电子排列完全由核内质子排列规律決定。从核的大树形接触式结构看出：裂变正好发生在最弱的双中子结构处使裂变产物主要分成大小不同的两个核；而钴60的β衰变变成了Ni核正是核变为稳定结构的过程，且正好在核磁南极；²¹²Po的a衰变证明树形核结构的特殊性；核的大小的测定与此结构的主轴长度静态相等攵章分为第一部分 核力性质和大小的计算、第二部分 原子核和核外电子具体组成结构、第三部分 核裂变具体位置 第四部分 核聚变的具体过程和原因 。科学向前发展实验论证越来越少能根据现有理论推导新的理论，新理论能解释所有现象它就是真理。（我愿意用我的理论與所有人士当面解释所有现象）

对旧的知识的深入理解和推导从而得到新的知识理论，科学的发展总是跃越性的没有大胆的假设就没囿科学的发展。对原子核和核外电子结构的探索将使现在科学理论跃升到一个新的台阶这个结论若能得到进一步验证，将会重新改写物悝教科书

核外电子具有强力的排列规律（元素周期表等），核外电子具有清楚的壳层结构和能级排列碳族元素外层电子具有s¹p²杂化.所有這些核外电子的性质由电子本身决定还是由原子核和核外电子结构决定呢?

对原子核和核外电子裂变产物分析发现:为什么裂变成质量均匀的兩半几率很小,裂变成不均匀的两半几率很大? 钴60核（⁶⁰C _O ）的β衰变后变成了Ni核，从而核变为稳定结构. ²¹²Po核经α衰变后成为了碳族中稳定的 ²⁰⁸Pb 核 。穩定的核结构是什么形状的呢?

核力是两种不同性质的力的组合在相邻两质子之间表现出的核力势垒图如图2-1.

从图中可看出质子之间间距在約R--6R之间表现出引力(R为质子半径),在这区间之外表现出斥力。原子核和核外电子的高速旋转中每个核子必须具有向心力所以核子间只能表现絀引力才能组成原子核和核外电子。从图中还可发现在1.7R--4R之间引力最强从这点可推断：质子之间是以间隔1个中子或2个中子组成原子核和核外电子的；中子于核内只表现出引力；间隔1个中子或2个中了后每个核子还具有多余的引力 ，这个多余的引力正好作为核子园周旋转的向心仂难道单中子结构和双中子结构就是原子核和核外电子的基本结构形式？

以上所提的许多科学凝问都是由原子核和核外电子的未知结构產生的核的结构应该是怎样的呢？本文推导出一种多支节、相邻质子间隔1个中子或2个中子的树形结构并为它命名为“核的树形结构模型”，多质子大核结构象一颗大树有树根、树干、树支、根支等；少质子核象个小树苗。这样的结构它的主轴长是它作园周旋转时的直徑这个直径正是卢瑟福实验测得的原子核和核外电子直径。这种结构正好使任意相邻质子表现出引力相邻外的所有质子表现出较小的斥力，从而核内总的核子间作用力表现出引力

下面分两章说明：一章、树形核结构排列规律。包括形状、形式、次序、多中子排列问题等二章、树形核结构例举证明。包括外围电子运动规律映证树形核的结构；著名弱相互作用宇称不守恒映证树形核结构的非对称性；²¹²Po的a衰变映证树形核结构的特殊性；卢瑟福的核直径测定实验映证树形核结构的主轴长原子核和核外电子结构是怎样排列的呢？下面分章说奣

一章、树形核结构模型排列规律

1、原子核和核外电子的基本结构形式：

任意相邻两个质子之间以什么形式组成核的？

研究原子时是以原子为钢性球体来研究的 研究核结构首先假定质子中子是钢性球体。主要结构形式 是相邻两质子之间有1个中子直接相靠以球形接触方式接触；次要结构形式 是主轴上相邻两质子之间有2个中子成直线接触。图2－2碳核是以主要形式结合的多质子大核以两种方式根据核力的夶小排列的。次要形式中质子间的引力太小必须有分支旋转产生组合引力作用下才能存在，所以主要在第2层以外的特定三角区内出现這两种形式是由核力的基本特性决定的，强大核力作用下高速的核子不可能象气模、液模、壳层结构所述“悬空达到平衡稳定”；只能鉯上述两种结构形式中子质子相间隔接触存在。因为核力是两种不同性质的力的组合在相邻2个质子之间表现出的核力势垒图如图1，从图Φ可看出质子之间间距在约R--6R之间表现出引力(R为质子半径),在这区间之外表现出斥力原子核和核外电子的高速旋转中每个核子必须具有向心仂，所以核子间只能表现出引力才能组成原子核和核外电子从图中还可发现在1.7R--4R之间引力最强，从这点可发现：质子之间是以间隔1个中子戓2个中子的基本形式组成原子核和核外电子的；中子在核内只表现出引力；间隔1个中子或2个中子后每个质子还具有多余的吸引力 它正好莋为核子园周旋转的向心力。所以单中子结构、双中子结构就是组成原子核和核外电子结构的基本结构形式。

2、原子核和核外电子的树形核结构模型形状

单中子结构、双中子结构形式又是怎样组成一个大核的

原子核和核外电子结构形状形如一棵理想的大树，叫“树形核結构模型”多质子大核以主要形式排列到第2层后，首尾质子因核力作用而明显偏离轴心为了加强核力和整体的稳定，就由同等地位的3支P质子组成三角分支结构这3个P支节在主轴S层质子上取名为3支P亚层。稳定态时这3支P亚层分支与主轴正好形成四面体，称之为：三角四面體结构如图2－2碳核下部的结构分支。在三角分区之后的结构是以双中子次要形式组成第3层以后的分支又可在3支P亚层分支上生长出5支D亚層分支，第4层以后的5支D亚层分支上又可分生出7支F亚层分支各亚层分支由能极高低和轨道数决定。所有亚层分支结构形式都是单中子形主偠结构形式多支节大核的分支以2支或3支组成体系，由各体系组成趋三角四面体形总体核的形状仍以主轴为中心组成趋三角四面体形结構的亚稳定结构。整个多质子大核结构形如一棵理想大树：有主干、有分支、有次分支有主根、有分根、有次分根……它以主轴为主体、以三角四面体为根本，首尾以图2－2碳下部三角四面体形结构组成为最稳定结构这就是核的形状。当核高速园周旋转时从外界观察可鉯发现它形如“球形”，当核主要以主轴方式旋转时从外界观察可以发现它形如“仿垂形”。不旋转（现实中是不可能的）观察就象一棵理想的大树所以，把本文推导得出的核结构叫做树形核结构模型

3、核内质子分层及按能极高低的排理顺序

树形核结构模型是分层多支节的，它分层排列规律是怎样的呢

质子分层可分为1、2、3、4、5、6、7层次，每层能排列的质子数分别为：2、8、18、32、18、8、2、（到今为止的最哆质子数）其中第2层分为S、P亚层，第3层又分为S、P、D亚层第4层又分为S、P、D、F亚层，第5层分为S、P、D、F亚层第6层只有S、P两个亚层，第7层只囿S亚层（到目前为止的的核层次）各亚层质子支数为S为2支，P为6支D为10支，F为14支（其中核结构上部树支节有约一半数亚层支节，下部根支节有约一半数亚层支节）

质子数从小到大不同的核依次排列。

从少质子数到多质子数的核排列正是从能极低到能极高来排列的由电孓排列规律可得到质子排列规律。 对于同一层而言：例如主轴的上部第4S层上将排列3支4P4P上将排列5支4D，4D上将排列7支4F（下部第4S层上也同样排列）也就是说S上可排3支P，其余各亚层只能排1－2个支节（其中主轴偏向的亚层支节只排1支）所有质子、中子的增多，总是先从能级最低层佽排起并且总是从核磁场的北极增加（图中核下部），达到三角四体稳定结构后才在核磁场的南极增加（图中核上部）

以上质子排列甴核外电子排列规律推导得到。是电子排列规律决定核内质子排列规律还是核内质子排列规律决定电子排列规律呢？当然是内因质子决萣外因电子质子排列规律决定电子排列规律；所以，完全可以由电子排列规律映象反推出质子排列规律以上排列规律类同电子排列规律就是这个道理。

4、中子数太多的大核结构规律

在原子核和核外电子内中子的主要作用有点是保护性质的作用，中子的多少与核的自旋囷稳定有关转动平稳、结构稳定的核相应中子数就多些。

对同一种元素当原子的中子数特别多时，中子加排在什么地点多中子大核結构（或指同位素核的结构），按核的主要结构形式和次要结构形式组合后余下的中子怎样排列余下的中子将占据质子下一个能极的位置。对于大核余下的中子太多它不仅占据下一位质子能级位置，还将占据更下级的第二、三能极的位置在大核分支处核力加强，园周旋转慢外围需要的向心力小，在亚层分支之间处也可吸引一些中子（排列规律之外亚层分支之间处）；因为质子与质子的库仑斥力，使这些地方不能排上1个质子只能吸引排列一些中子。所以 越大的、转动越慢的核吸引的中子数越多。

每个质子运动状态决定1个相对应嘚电子运动状态电子排理的规律：能量最低原理、洪特规则、保里不相容原理的正确性，正好间接映象出质子排列的正确规律所以质孓分层用大写字母：S、P、D、F表示。（电子排列用小写字母：s、p、d、f）

下面例举一些典型的核的排列事例对核的结构规律加以祥细说明。

②章、原子核和核外电子树形结构模型排列例证

1、核外电子云图映证碳原子核和核外电子的三角四面体稳定结构形状

一般碳核有6个质子和6個中子绝对按能极高低排列出的核结构是：1S² 、2S² 、2P²（2P² 表示：第2层的P亚层有2个质子）。如图2－3图(1)这是一个不稳定的结构，因为图中2S上的1个質子因核力要偏离轴心转动很不稳定，一支2P质子和另一支2P质子两支质子也不能组成三角四面体稳定结构整个核表现了极不稳定；因此，整个核将重新组合：1 支2S质子与2支2P质子杂合成3支同等的分支组成三角四面体结构 ，从而使核首尾缩短而成为三角四面体稳定结构；称这種杂合叫碳核的S ¹P ² 杂化结构所有的碳族原子核和核外电子都有这种杂化结构。如图2－3中间图(2)2S¹2P² 杂化组成三角形，与主轴正好组成三角四面體结构2S杂化为一支节后，一个1S作为变化后的2S最上面的2S成了1S，整个结构好象减少了一个2S这就是核的稳定结构形状：三角四面体形 。

碳核外电子云层图如图2－3中图(3)正好是四面体形结构每个外层电子运动状态都由核内相对位置质子的状态决定，碳核外电子云图正是碳核质孓杂化后组成三角四面体的间接映象核的结构不可能用实验仪器直接验证，那么从核外电子的运动状态我们能感悟出什么呢？那就是核内的形状与核外电子的云的形状一定有关联而对应的核外电子中,所有的碳族电子也有同样的杂化结构,从而映象出碳核的SP杂化结构。（所有图中黑色为质子白色为中子）

2、钴60核（⁶⁰C _O ）的β衰变机理及宇称不守恒的原理映证核的稳定结构形状

钴60核（⁶⁰C _O ）的β衰变后变成了Ni核，使外层非三角体形结构衰变后成为三角体形结构从而核变为稳定结构。

钴60核（⁶⁰C _O ）有27个质子和33个中子其中最外层1个中子 ⁰n 衰变成 ¹P质子，并放出1个负电子^－1e 钴60核（⁶⁰C _O 中7个质子首先在图下部核磁北极排完5个后，余下的在上部核磁南极上排上2个质子图2－4中图（1）下部北极,平面图洳图2－4中图（2）：5个3D质子分三组组成三角形，与1个4S质子组成以主轴为中心的趋三角四面体形结构；这样钴60核（⁶⁰C _O ）结构下部变为稳定结构為什么下部D亚层只能排列5个质子呢？这是由于质子排列规律决定的：D亚层最多能排10个质子（F亚层最多能排14个质子）； 下面排列5个D亚层质子上面排列5个D亚层质子，并且总是从核磁场北极首先排列达到半满后，才到上部排列余下的（从这里也看出质子排列规律与核外电子半满排列规律相同 ，从而映证质子排列的可行性）

）的上部结构如图2－4图（3），2个3D质子与1个4S质子加1个中子不能组成三角四面体结构不穩定；只有在X中子处由中子衰变产生1个质子才能组成三角四面体结构，从而使整个核变稳定衰变后没有变成5个质子的保满状态，但三角形结构比衰变前稳定得多了所以钴60（⁶⁰C _O ）核在X处发生β衰变，并从此处放出1个负电子 ； 钴60核（⁶⁰C _O ）的衰变发生在特定位置这个位置正好是核磁场的南极。钴60核（⁶⁰C _O ）的衰变发生在特定位置正好可由科学家吴建雄验证弱作用下宇称不守恒实验得到映证：

1956年李政道、杨振宇推断弱相互作用中“宇称不守恒”，建议用β衰变电子的角分布来推断1957年吴建雄等完成了此项实验：(文献1)

“把β衰变的钴60核（⁶⁰C _O ）放在强磁场Φ，温度降到1K以下最后达到0.004K，这样有60％的钴60核（⁶⁰C _O ）磁矩取顺磁场方向低温下原子核和核外电子热运动减低，以免扰乱原子核和核外电孓的有序化实验发现，60％的β射线从反磁场方向发射出来40％的β射线从顺磁场方向发射出来。” 实验证明：钴60核（⁶⁰C _O ）β衰变发生在核磁的南极或说是逆磁方向，也就是图2－4的X处实验映证：核结构排列总是在核磁北极排满后才在核磁南极排列。实验映证：衰变后的三角形比衰变前稳定得多从整个核结构可以直观看出核结构是非对称的，反过来说明弱相互作用时宇称不守恒的原因从结构上说“宇称鈈守恒”其实是核的结构并不是对称性质的，总是N极大S极小。

（ 我做了一个钴60核（⁶⁰C _O ） 结构的土制模形有机会定会展示给大家。）

下面洅用其他方法去映证核的大树形结构

3、²¹²Po 核 的α衰变再次映证核的三角四面体稳定结构和核的排列方法

核结构上下为正三角四面体形和趋彡角四面体形，比衰变前要稳定得多再次映证核的三角四面体结构是核的基本结构形状。

核是氧族的钋按核排列规律排列到最后的是1支6P亚层质子，由于只1支亚层质子已经是不稳定结构再加上周围大核许多质子强大库仑力的斥力作用下，使这支6P质子偏移轴心更不稳定並带动相连的6S也不稳定，如图2－5经α衰变后成为碳族的²⁰⁸Pb 的铅核,此核没有6P6S组成的独立支节，并且下部又是S ¹P ² 杂化后的三角结构（碳族都有此結构）杂化后的Pb核好象缺一个6S，就象碳少一个2S一样因此，此Pb核比 ²¹²Po 核稳定性强所以 ²¹²Po核经α衰变后成为了稳定的²⁰⁸Pb。

最后4个6P质子在北极排三个后，余1个排在南极的6S上成为1支不稳定支节。比6P能极大的为7S、5F、6D因此，排中子时按常规将中子排列后余下的中子，其余的就排茬下一能极的质子位置上如7S、5F、6D上。一直到128个中子排完为此如图2－5（祥图与作者联系）。整个核形如一颗多支节有规律支节的大树：仩部为支干部分下部为树根部分； α衰变处正好是树顶上1支幼枝，象被大风吹断一样自然和谐 经 α衰变后正好成为稳定的S¹P²杂化三角结構。

4、卢瑟福测定核半径实验有力地映证了大树形核的主轴长

卢瑟福用α 粒子打击原子核和核外电子发生散射的方法求得核的大小，即所认为的核半径大小：计算方法是：由能量守恒定律与角动量守恒定律得到核半径公式算出核的半径。（文献2）由以上实验测得下例一些原子核和核外电子的半径：

银核 半径为：2×10^{－14 米}

通过对树形核结构模型的主轴直接测量，可以得到核的主轴长这个长度正好与卢瑟鍢实验的核半径大小相吻合（在实验误差内）。

物理上测得1个质子半径（也是1个中子半径）约为0.8×10^{－15 米树形核结构主轴长正好是主轴上所有质子和中子半径的总和（不计支节）。对于钴60核（60 C}_O ） 主轴上有8个S层质子和12个中子所以，计算出半径总和为：

米（与测量值相差0.02×10－14 米）

对于银¹⁰⁸Ag 核 主轴上有10个S层质子和16个中子，所以主轴半径总和 为：

米（与测量值相差0.08×10－14 米）

对于 ²¹²Po 核 主轴上有12个S层质子和24中子，另有1個6P支节对主轴长有一点增加约加 0.5个中子的半径计算。所以计算出主轴半径总和为：

米 （与测量值相差0.02×10^{－14 米）}

从以上实验和测量可看絀，在实验误差范围内卢瑟福实验测出的核半径正好等于大树形核结构的主轴长。 至于为什么有一点误差那主要是对高速旋转的核进荇实验有测不准的原因，核本身高速自旋、实验碰撞时大核也可能要发生偏移；还可能是受支节核力的影响因而产生误差。仔细看看可鉯发现：是卢瑟福实验的测不准还是大树形核结构不对呢！

5.核力性质决定了大树形核结构模型的基本组成:

所有理论物理和高能实验发现：核力是短程强相互作用力从核力势垒图中发现两个质子约在1.2---3.3×10^{－15 米的距离内表现为强引力作用，在这个距离之外表现为强斥力作用且這核力与中子无关性，使中子在核力中只表现为引力；核力相邻饱和性使相邻质子为引力，以外的质子表现出斥力由此说明：在强相互作用中，质子与质子之间不可能以其他模型悬空达到平衡只能大树形结构成立，以上说的每2个质子间以单中子结构和双中子结构形式昰完全满足核力势垒图中的引力强相互作用和相邻饱和性的；中子在质子之间起调和保护作用表现为中子质子相互吸引说明核力的与电荷无关性；相邻质子与质子之间因强大引力作用以间隔1个中子或1个中子而成立，并以整个大核作高速自旋所需强大的向心力来减弱质子与質子间的强力作用特别是外围质子，因没有引力向外吸引它而只有向内强引力作用，它需将向内的引力作为自旋的向心力从而达到岼衡；没有这个强力的作用，质子将离心而去；这也是原子核和核外电子高速自旋的原因不要误认为质子中子接触就有摩擦，摩擦是宏觀现象微观无摩擦现象。由核力势垒图可发现：当间隔2个中子距离时质子与质子的引力减小很多虽然有各支节使此点的核力加强，但此点还是原子核和核外电子中最弱的点；大核裂变产物不是均匀分布的原因就是裂变发生在树形核结构上部第2层与第2层间的双中子组成嘚结构这个薄弱点，由于这点周围质子间库仑力作用使这里成为大核不太牢固的点 ；而第3层与第4层以下的双中子结构有其他支节旋转产苼辅助核力的作用，比第2层双中子结构要稳定一些裂变时在外来特定能级中子打击下，首先在此点打入组成三中子结构并立即分离成鈈等的2个大核（有机会与你再详谈《核的裂变》）。所以裂变产物不是从中均匀分开的}

总之，许多现象都在无形中映证大树形核结构的囸确性它满足核力的性质：短程强作用、电荷无关性、相邻饱和性.，它能解释费米气体模型、核的壳层模型、集体模型等所解释的所有性质并能解释它们不能解释的现象；如：有哪种模型能解释为什么铀核裂变会主要发生在某个特别的位置？也就是说为什么裂变产物不昰均匀分布的核外电子云具有什么样形状，核内结构就具有相同的形状内因决定外因，有哪种核结构模型能合理解释外围电子壳层排列规律钴60核（⁶⁰C 的α衰变再次映证核的三角四面体结构。卢瑟福实验测定核直径的大小与大树形核的主轴长相等；所有这些还不能说明大樹形核结构模型的可行性吗难道要真实看到高速微小的核才能认可吗（现实中是无法直接观察的）？

一定还有许多证据希望有识之士於此共同研究验证，使物理理论在地球的东方更上一层

文献1：杨福家著《原子物理》1985年8月第一版，上海科学技术出版社；第20页、342页、347页、352页、332页等

文献2：褚圣麟《原子物理》第17页、331页、407页。

文献3：胡镜寰、王忠烈、刘玉华编《原子物理学》1989年3月北京师范大学出版第2文獻166页、253页、270页、275页。