原子殼層新論

《原子殼層新論》一文首先指出原子是渦旋體系統，並在渦旋運動中形成類似太陽繫結構方式，殼層中有類似行星和衛星的殼粒，角量子數或軌道量子數為0者相當於行星式殼粒或稱基殼粒，其它軌道量子數相當於衛星式殼粒或稱諧殼粒，相對於原子核以波紋式軌道運動(波紋式軌道等效於量子力學橢圓軌道的解釋)。且一個軌道只能存在一個殼粒，軌道空間分布對應原子核轉軸分量相當於量子力學磁量子數。對稱趨勢使原子核運動中一殼粒軌道運動偏右,另一殼粒軌道運動偏左(或渦旋面的上下)，構成相當於正反自旋的量子數，整體上稱為原子渦旋趨勢結構原理.

基本介紹

• 中文名：原子殼層新論
• 外文名：Atomic shell theory
• 所屬一級學科：物理
• 所屬二級學科：原子物理

基本原理

這個原理說明元素原子是渦旋運動演變而成的，它周圍分離的環逐步演變為殼粒子，一個環只能演變成一個核心殼粒（基殼粒）和周圍的環，這些環再演變為另一些不同軌道殼粒（諧殼粒），否則就會在演變中結合在一起為同一殼粒，穩定時則構成某元素原子。這個原理與泡利不相容原理等效的。渦旋運動成形粒子一直保持著旋轉運動，自然存在自旋。其微旋化過程中也自然存在核和殼層粒子磁性，核磁性與殼粒總磁性的不同關係，是構成順磁性、抗磁性、鐵磁性材料的基礎。也是構成塞曼效應的根源，殼粒與原子核的磁性在外磁場作用下，因狀態不同而分離若干可能軌道，相應輻射出多條譜線。

原子殼層

其次周期性變換運動與周期性場質交換是穩定粒子基本狀態，元素原子殼層粒子除了自身周期性變換運動可以用波函式或波動方程描述外，還與原子核通過電磁場質交換而聯結在一起，原子核質量愈大能夠交換的殼粒愈多，平衡時殼粒數與原子量近正比。但原子核交換頻率必需是殼粒交換頻率整數倍的那些允許軌道或能級上才能同步穩定地運動，並且愈低倍數軌道或能級愈同步穩定，即殼粒自動趨向最裡層或能級愈低的軌道上運動（先占有裡層，可直接與量子力學中能量最小原理等價），殼粒軌道或能級間躍遷則吸收或輻射量子，可以用位能能級及其差表示。殼粒動能等於總能減去位能E-U，等價於量子力學波動方程中能量關係。稱為原子殼層周期變換與交換整數倍同步原理。

它不僅深刻地道出了原子結構量子化或能級化本質或根源，主量子或徑量子數n用於描述核與基殼粒交換整數倍的允許軌道能級及其量子數，副量子數或軌道量子數ι用於描述諧殼粒相對核的允許波紋軌道能級及其量子數，取0、1、┉、(n-1)。又由於諧殼粒圍繞基殼粒運動軌道（或波紋軌道）相對核軸偏離又跟原子核交換空間取向有關，也要求交換整數倍的磁量子數，即取-ι、…、-1、0、1、…、ι，自旋量子數實際上是原子殼層分布對稱趨勢引起的正反量子數。每一殼層最多殼粒數為2n²，其中2是對稱性分布引起的，n是由里往外殼層次數。

元素是按原子穩定的殼粒數目和分布來分類的，外殼層同為一個殼粒原子分為一類，稱為氫元素。外殼層分布兩個殼粒原子為另一類，稱為氦元素。外殼層三個、四個等等原子分別被分類到元素周期表中的不同元素中去，如外殼層8個殼粒原子為氧元素，外殼層9個殼粒原子為氮元素等。由於渦旋運動生成同元素原子的環境條件差異，原子質量不完全一致，存在一定的分布或具有統計性，所謂原子量實際上是同元素原子質量統計平均值，稱為元素原子量統計平均值原理。這個元素原子質量統計性是量子力學中波函式統計與光譜線存在一定寬度的本質或根源。實際上量子力學波函式統計性與海森堡測不準關係所解釋的量子現象等都可以用此原理加以解釋的。對於重元素原子內層殼粒可以看成原子核外圍殼粒群加上外殼層粒子。最外殼層的對稱趨勢，使其具有除最裡層兩個外，其它具有8個象限各占一個的對稱分布趨勢。

這三條原子基本原理所構成的原子結構可以對應等價量子力學基本關係，為了與量子力學關係對應，在上述原子基本原理基礎上進一步描述。對於周期性電磁場變換或電磁波，實際上是磁場能密度與電場能密度的周期性變換，而它們能密度之和仍是非周期的能密度。如電磁場能密度坐標描述為w=μH²+εG²，其中μ為導磁率，ε為電介質係數，H為磁場強度，對應渦旋在場中描述的磁渦量，G為電場強度，對應平動在場中描述的電動量。它們分別是

H=H。Sin2π(νt-ι/λ)

G=G。Cos2π(νt-ι/λ)

當√μ=√ε，代入上式電磁場能密度為不變數。光不過是原子級輻射電磁波量子流。熱量或紅外線不過是分子級輻射電磁波量子流。相位調整後，都可以用電磁波函式或波動方程描述。波函式平方表示其能密度或粒子數密度，用以表示強度。

對於一般粒子，尤其原子外殼層粒子來說，通常處於周期性交換狀態，只有粒子間交換頻率整數倍時，交換才能同步並處於較穩定狀態，可用位能描述。粒子周期運動波動函式

φ=φ。Sin2π(νt-ι/λ)=φ。Sin(2π/h)(Et-pι)

其平方或共軛乘積為能密度或粒子數密度。能密度與粒子數密度間差一個量子能量，即量子能量乘以粒子數密度為能密度。但場的描述對於空間一點某時刻的一個粒子來說，只能理解為出現的幾率密度，它的意義等價於量子力學對波函式的幾率解釋。其中量子的能量為E=hν，速度υ=λν，動量為p=h/λ。這幾個公式等價於德玻羅意波公式。

對於粒子間同步交換實際意義是具有場的駐波運動方式，存在一系列波節，即周期性交換相位在此空間位置上相位的相反而波動抵消或交換同步。如原子核與周圍殼粒交換，而殼粒繞核且沿著這些波節運動，交換才是同步有效的。距離核不同位置波節所具有位能不同，愈遠位能或能級愈大，通常用主量子數或徑量子數描述。對基殼粒是如此，而繞基殼粒的諧殼粒更多一項相對基殼粒位能而且愈遠位能或能級愈大，通常用軌道量子數或角量子數描述。渦旋殼粒本來就具有自旋，其正反向（實際上是軌道對稱趨勢引起的）分別用正負自旋量子數表示。此時殼粒波函式可用定態波函式或定態波動方程描述。

φ=φ。Sin(-2πι/λ)=φ。Sin(-2πpι/h)

d²φ/dι²=-(-2π/h)²p²φ。Sin(-2πpι/h)=-(4π²/h²)p²φ

=-(4π²/h²)2m(E-U)φ=-(8π²m/h²)(E-U)φ

d²φ/dι²+(8π²m/h²)(E-U)φ=0

其中動能等於總能減去位能，即p²/2m=E-U。因此量子力學在這裡都可以找到對應等價解釋關係。

原子新結構套用

粒子或原子核外殼粒存在粒子本身周期性變換運動和周圍場質交換作用。粒子（或殼粒）周圍交換能密度隨距離粒子愈遠愈小，即除以球面積或與r²半徑平方成反比，表示交換愈弱，位能愈大。粒子間（根源於渦旋濃縮趨勢）交換趨於愈強，位能愈小趨勢。這樣波函式可解釋為粒子（殼粒）本身的周期性變換，而粒子（殼粒）周圍場質交換在波動方程中表示為位能，並只能取交換波節所在的位能允許的軌道上運動。因此量子力學的波動方程解的能量只可取允許值的能級，如徑量子數、角量子數（或軌道量子數）、磁量子數、自旋量子數等。在三條基本原理基礎上所推出的波動方程，可以等價量子力學的波動方程，而意義更為深刻。

發光的套用

單個元素原子質量一定的，其軌道是確定，所輻射光譜線是確定的。但巨觀大量元素原子構成氣體狀態，原子之間不僅質量存在差異，而且運動速度也存在差異，所輻射的光譜是一定寬度的線光譜，液體或固體狀態的原子之間交換，原子軌道有所偏離，所輻射的是帶光譜。脫離原子的殼粒躍遷到某軌道是任意值，所輻射的是連續光譜。所觀察的光譜是大量同元素原子輻射的光譜，並非單一原子光譜，不要把光譜線與單一原子發射（只是譜線上點）混為一談。可見統計性或測不準關係是巨觀量度處理微觀粒子所產生現象，正如熱運動統計性，也是單一粒子有確定速度、動能等參量的，而大量不規則運動只能取統計平均值情況類似，要準確指定一粒子速度或動能，那只能指出其出現的幾率。

太陽所輻射的是連續光譜，又由於太陽周圍存在大量氫、氦和其它輕元素，出現被這些元素吸收的暗光譜線。不同元素所輻射的是不同顏色的光線，不同元素組合可生成不同色彩。可見根據不同的需要可以設計不同元素材料的各種各樣光源。各種元素原子量平均值和外殼層粒子數及其分布不同，相應於核周圍殼粒所處分布的允許軌道也不同。通常殼粒穩定地處於交換倍數較小的裡層，在外部作用（如電流）下被激發到較外層允許軌道上運動。但趨勻平衡趨勢，又使其往裡躍遷而輻射量子。不同元素原子所輻射量子不同，即所發的光譜或光顏色不同。利用這個屬性，可以設計製成各種顏色的光源，如霓虹燈各種顏色就是充入不同氣體（多半是惰性氣體）的結果。

一定元素氣體的光譜線是固定的，可以採取石棉沾上化合物、混合物粉進行燃燒或其它方法，使其發射出光線或光譜。從光譜比較分析，可以判別化合物、混合物中所含的元素成份，再通過光譜強弱程度比較分析可以判別元素所含的量大小。實現對各種各樣物體所含那些元素成份和份量大小的光譜分析技術。光譜分析是化學分析的重要技術方法之一。

電的套用

惰性元素最外層分布對稱的兩個或8個殼粒而不跟其它原子交換的氣態材料。材料的元素原子最外殼層只有一個殼粒子為一價元素，元素原子最外殼層只有兩個殼粒子為二價元素。平衡對稱趨勢，使其易失殼粒子，具有金屬性。最外層同是一個殼粒的原子量愈大元素，因殼粒離核愈遠，愈易失殼粒子，從而金屬性愈強。殼粒脫離原子，使其各處於交換不平衡的正反帶電的暫時狀態，在平衡趨勢中移動或逐漸失去帶電性。這類材料易從其原子中移出殼粒子，常溫下熱運動就使其大量殼粒脫離原子核，在物體材料中自由運動，稱為導體。物體材料中原子的殼粒極難離開原子核，即使外加很強電場或磁場也難迫使殼粒脫離原子，這類物體稱為絕緣體。導電性介於兩者之間物體材料為半導體。不同物體原子具有不同磁性，溫度或熱運動愈低，原子磁性愈處於平衡狀態，即磁性愈弱。

殼粒脫離原子易難程度不同的材料各種屬性，可以根據需要靈活地設計成各式各樣的（電子）器件，以滿足電路器件組合產生各種各樣電磁性能。如半導體材料矽、鍺摻入三價元素雜質可構成缺殼粒的P型半導體，摻入五價元素雜質可構成多餘殼粒的N形半導體。兩種半導體接觸在一起的點或面構成PN結，在接觸點或面上N型半導體多餘殼粒趨向P型半導體，並形成阻擋層或接觸電位差。當P型接正極，N型接負極，N型半導體多餘殼粒和PN結上殼粒易往正移動，且阻擋層變薄接觸電位差變小，即電阻變小，可形成較大電流；反之當P型接負極，N型接正極，因為P半導體缺殼粒，熱運動也難分離出殼粒往正極運動，且阻擋層變厚接觸電位差變大，電阻變大，形成較小電流，即具有單向通過電流屬性。

有些材料，如惰性氣體氦，在低溫時形成液體，原子之間靠電磁場質交換成體的，幾乎沒有熱運動，原子核與殼粒總磁性和近零，弱外磁場幾乎不起作用，即處於抗磁性狀態。一殼粒微小移動帶電，立即引起場質交換不平衡性在整個材料中傳遞，電阻等零，即出現超導體現象。隨溫度升高或外磁場增強，氦原子開始有了熱運動，殼粒只能在能級軌道間移動，是正常電阻的分數，並隨熱運動增強，電阻分數值愈大，最後恢復正常電阻值，此時也就失去超導性，失去抗磁性。這就是崔琦分數電荷的來源。可見，超導性是某些材料在一定條件下，原子或分子等的粒子間場質可在整個材料所有粒子間實現交換，而不僅只在相鄰粒子間實現交換。熱運動愈小，粒子周圍場質愈易超過相鄰粒子間交換，即愈不易讓弱外磁場影響其磁性狀態，相應粒子抗磁性愈強，所形成的超導性愈強。

化學的套用

化學元素原子通常情況下原子核平均質量與殼粒數目大體成比例的，並處於交換平衡狀態，渦旋能級結構使殼粒先占據裡層，除氫、氦最輕元素外，元素原子最外層殼粒通常有1個到8個的分布。最外層分布1個殼粒的元素有鋰、鈉、鉀等一價鹼金屬，最外層分布2個殼粒的元素有鈹、鎂、鈣等二價鹼土金屬，最外層分布7個殼粒的有氟、氯、溴、碘等負一價鹵族元素，最外層存在8個殼粒的元素有氖、氬、氪等惰性氣體。包括氦惰性氣體原子的最外層殼粒分布對稱，不相互作用，不產生化學反應而處於單一原子零價元素的氣體狀態。

一價的鹼金屬元素的對稱性分布趨勢，使其易失一個殼粒，而且原子量愈大最外層殼粒離核愈遠，愈易掉失殼粒，即金屬性愈強。而七價或負一價的鹵族元素的對稱性分布趨勢，使其易得一個殼粒，而且原子量愈小最外層殼粒離核愈近，得殼粒趨勢愈強，即非金屬性愈強。當一價元素與負一價元素，如鈉與氯原子接觸時，鈉原子掉失一殼粒剛好為氯原子所得，各處於對稱性分布，但它們各自與核處於交換不平衡狀態，有再拉回殼粒的趨勢，形成了殼粒在原子間交換的分子，這類交換稱為異價鍵（舊稱離子鍵）。又如兩氯原子之一出一個殼粒於對方，使一氯原子最外層有8個殼粒對稱分布，但兩者與其核又處於交換不平衡，平衡對稱趨勢又有拉回殼粒作用，以達到對稱分布，這樣兩氯原子之間形成公共使用兩殼粒交換的分子，稱為共價鍵。

結晶體或金屬體主要靠原子之間殼粒交換而成固體狀態的，其殼粒交換分別稱為結晶鍵或金屬鍵。金屬鍵的殼粒很易離開原子，並在原子之間移動，熱運動愈強，殼粒離開的愈多愈頻繁，常處於易生電的導體狀態。分子內殼粒交換是價鍵的本質，不同材料分子內殼粒交換緊密程度不同，使某些化合物分子中元素易另外元素置換，如按程度順序有K、Na、Ca、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、H、Cu、Hg、Ag、Pt等，前面元素（金屬性愈強）易在化合物分子中置換出後面元素（金屬性較弱），實現元素置換的化學反應。如水中氫遇到金屬鈉，鈉元素極易將水中氫置換出來生成氫氣

2H2O+2Na→2Na(OH)+H2

套用補充說明

元素原子主要是巨觀上技術套用，光源開發、光譜分析、電子器件、超導體套用、分子價鍵、化學反應等套用都是巨觀的。儘管單個元素原子都有確定的結構與殼粒子運動軌道，但巨觀上由於它們質量統計性，使同一元素同一量子數殼粒運動軌道具有統計性，所產生光譜線具有一定寬度。海森堡測不準關係實質上是這類統計性引起的，使得（交換）能量與時間、動量與位移、角動量與角移不能同時測量準確。

套用設計的合理能動性，決斷的可能可行性，執行的手段實效的實性思維過程中都要考慮這些基本因素。如套用設計是否合理可以觀其是否符合上述基本原理及其推論，在此基礎上充分發揮能動性，可以跟其它領域原理器件組合、條件控制能動地結合起來，構成一定性能、功能的原子套用儀器設備，像各種光源、雷射、光譜分析儀、核磁共振之類設備。