全尺度物质空间结构理论：质子、原子和分子

（赵建明，毕业于中国人民大学）

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当前物理学和化学认为，原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成。原子核内质子数决定了该原子是何种化学元素，核内中子数的不同，决定了该原子是这种化学元素的何种同位素。质子数和中子数的总数决定了该原子的原子量。质子带正电，中子不带电，所以由质子和中子组成的原子核带正电。由于核外电子带负电，所以由原子核和核外电子组成的原子呈电中性。

不同种类的物质由分子构成，分子是区分物质化学特性的基本单元。分子则由原子构成，其中金属和惰性气体是由原子构成，化合物则是由不同元素的原子结合而成。

当前的物理学和化学理论已经对众多的物理现象和化学现象进行了解释，本文试图用全尺度物质空间结构理论对一些物理现象和化学现象进行全新的解释。

一、电子

电子是由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生在1897年研究阴极射线时发现的，是最早发现的基本粒子，带负电。现代原子结构模型认为，若干带负电的电子围绕带正电的原子核运动。

早在发现电子之前科学家便已经对电磁作用进行了研究，认为导体中的自由电荷在电磁力的作用下做有规则的定向运动形成电流。但这种观点并不能解释电流在导体中的传导。我们已经知道，电流的传导速度是光速，自由电荷的定向运动要达到这样的速度只能是波而不可能是粒子，因此传导电流的自由电荷不可能是原子内部的电子。

那么，传导电流的波会是原子结构模型所说的核外电子吗？现代的电子显微技术已经可以实际观察到某些金属表面的原子，可以看到原子的表面有一层外壳，原子内部的电子又怎么会透过原子外壳溢出并传导电流呢？就算电子以波的形式溢出原子外壳，又怎么会以粒子形式被物理实验观测到呢？由此可以判断，阴极射线实验中真空管内金属电极产生的并不是电子，实验中看到真空管内的辉光现象实际上是管内少量的气体原子在高电压下被电离的发光现象。

原子内部没有电子，所有的原子结构模型关于电子围绕在原子核外的假设均是错误的。

二、电荷

物理实验已经证实，原子核带有电荷，依据其在电场中的偏转方向认定是正电。根据本人《全尺度物质空间结构理论》，独立存在的粒子会受到排空的以太的挤压，从而产生周期性运动。宇宙空间本身是一种场，粒子在宇宙场中进行的周期性运动使得粒子带上了电。这种现象其实在宏观尺度也很常见，地球的电离层便是由于地球的周期性运动产生。除地球外，金星、火星和木星也有电离层。

现代物理认为，原子核由质子和中子构成，其中质子带正电，中子不带电。其实，质子带电是因为质子成为独立存在的粒子后，它受到空间之力的作用并进行周期性运动，从而也带上了电。当质子、中子在空间之力作用下结合在一起并被包裹在原子外壳之内时，质子、中子本身并无运动，因此质子、中子不带电，整个原子也不带电。

现代物理认为中子不带电，这应该是物理实验观测到的现象。但现代物理也证实，独立存在的中子并不稳定，大约16分钟后经β衰变成为质子，中子不带电是因为它处于不稳定状态。其实不稳定的运动物体也有可能产生电，比如摩擦起电现象。但像中子这样的不稳定粒子，带的电量也是不稳定的，很难探测到，所以认为它不带电。当中子稳定下来变成质子后便带了电。

与地球等天体的电离层类似，微观粒子带电实质上是粒子在宇宙场中高速旋转而处于电离状态。以原子为例，当原子独立存在于空间中并运动时也会产生电，但如果原子自旋速度不够快，产生的电量不够多，加上原子比较重，电离状态很难被观测到。如果把原子加热，原子运动速度加快，产生的电量可以让原子处于电离状态。原子的电离状态并不是原子核裸露在外，原子没有核，只是一层外壳包裹着数量不等的质子。

由于粒子的运动产生电，我们可以猜测，粒子运动产生并携带的电荷总量与粒子表面积和自旋速度有关。粒子越大，自旋越快，粒子产生的电荷总量也越多。用公式表示如下：Q=κR^2ω。其中Q为粒子产生的电量总和，κ为系数，R为粒子半径，ω为粒子自旋角速度。

三、中子

中子是1932年英国物理学家詹姆斯·查德威克发现，质量比质子稍大，大小与质子类似，是不带电的基本粒子。单独存在的中子是不稳定的，平均寿命约16分钟（一说896秒，见百度百科），经β衰变后变成质子。

氚，是氢的同位素之一，它的原子核由一个质子和两个中子组成。带有放射性，经β衰变后变成氦-3，半衰期为12.43年（见百度百科）。氦-3是氦的稳定同位素，原子核由两个质子和一个中子组成。由此可见，氚原子核中的一个中子经β衰变后成为氦-3原子核中的一个质子，另一个中子是稳定的。

β衰变，是放射性原子核放射电子（β粒子）和反中微子而转变为另一种原子核的过程，是卢瑟福和约瑟夫·汤姆孙通过研究铀的放射线在磁场中偏转时发现。无论是独立存在的中子还是原子核中的中子，都是释放一个电子和一个反中微子后衰变成质子，这是现代物理学研究放射性物质衰变时得出的统一结论。

按照本文前面的分析，原子内部不存在电子。即使按照目前通用的原子结构模型，电子均是环绕在原子核外运动，那么，中子释放的电子是从哪里来的？只有一种解释，中子变成质子的过程只是中子释放了一些能量，由激发态变为基态，并没有释放电子。

中子是激发状态的质子，中子和质子是同一种粒子。

四、质子

自然界的化学元素中，大多数原子中的中子是稳定的，并不发生衰变。化学元素周期表以质子数作为化学元素的原子序数来区分不同的化学元素，以中子数的不同来区分同一化学元素的不同同位素，以中子数和质子数的总和作为相对原子质量。如果中子和质子是同一种物质，实质上区分不同物质（包括不同化学元素以及同种化学元素的不同同位素）的并非原子内的质子数而是相对原子质量，也就是原子内的质子（中子）总数。

如果两种化学元素的相对原子质量相同，表明两种化学元素的原子内包含的质子（中子）的数量总和相等。如果这两种化学元素的物理化学性质有差异，意味着两种元素原子内的质子（中子）至少有一个质子（中子）的种类不同，或者质子（中子）凝结在一起时的空间结构不同而导致两种化学元素的不同。镧系元素中就有这样的元素。由于元素的质子（中子）总数较大，组成原子的空间结构差异不会很大，很有可能是因为质子（中子）种类的不同。不同种类的质子（中子）主要是质子（中子）的大小和质量有区别。由此我们可以得知，构成原子的质子（中子）很可能不止一种，存在不同种类的质子（中子）。

相同数量的质子（中子）由于其空间结构不同可以构成不同的物质，这在已发现的物质中得到证实。氘化氢分子由氘原子和氢原子结合而成，分子中包含两个质子和一个中子，而氦-3原子中也是两个质子和一个中子。氘化氢和氦-3都是稳定气体，尽管我们并不知道两者的质子（中子）是否是同一种类，但两者的沸点不同，可以肯定是由于两者的空间结构不同引起。

不同种类质子的存在，表明不同质子有着不同的内部结构。质子对撞实验可以验证亚质子粒子的存在。

如果进行高能质子对撞实验，可以观测到以下现象：

1、 因为中子是质子的激发状态，因此可以观测到中子。

2、 如果质子没有发生碰撞，质子回归基态后可以观测到氢。

3、 如果两个质子碰撞在一起，有可能观测到氘原子或氢气分子。如果幸运的话，可以观测到氚原子或氦-3原子。更重的原子不容易产生。

4、 因为是高能碰撞，质子有可能被撞碎。首先会探测到各种高能粒子在四处飞溅，各种比质子（中子）频率更高的光谱会出现，甚至会探测到以前实验中被发现的正电子现象。其实它不是正电子，而是微小的亚质子粒子。

5、 当质子破碎后产生的亚质子粒子被探测到时，可以观测到能量大小不同的β衰变，但观测不到β衰变产生的电子。因为这不是β衰变，而是亚质子粒子释放能量后从激发态转变为基态。粒子的角动能越大，从激发态转为基态所消耗的时间也越长。

6、 还可以观测到一些有规律的现象。基态的亚质子粒子，其半径与其旋转的角速度成反比，半径越小角速度越快。因此，亚质子粒子的半径越小，观测到的光谱频率也越高。

五、原子和分子

不同数目的质子（中子）结合在一起组成了原子。

氢原子中有一个质子，当两个质子（中子）结合在一起时形成了氢的同位素氘原子或氢分子，由于氢分子的结构和氘原子的空间结构不同，导致二者物理化学性质不同。当三个质子（中子）结合在一起时形成了氢的另一个同位素氚原子和氦的同位素氦-3原子。依照不同的空间结构，三个质子（中子）还可以形成氘化氢分子。依次类推，不同数目的质子（中子）按照一定的空间结构形成了不同物质的原子或单质分子。

对于轻元素来说，可以通过施加能量的方式打破原子外壳，并让其内的质子（中子）结合在一起，进而形成较重的元素。当两个原子内的质子（中子）结合在一起时会释放能量，这就是原子核的聚变。

如果原子的空间结构极度不稳定，即使在自然条件下，原子内部的质子（中子）也有可能从质子（中子）团中脱落，这就是原子的裂变，在原子裂变的同时会释放能量。原子裂变一般在重元素中发生，发生的原因很有可能是因为重元素的原子外壳破裂。

不同种类的原子，以及同种原子的不同空间结构，决定了物质物理化学性质的不同。对于化合物，即使组成分子的原子成分完全相同，由于原子排列的空间结构不同也会成为两种完全不同的物质，有机物中的同分异构体就是这样。

在形成物质的过程中，内部空间结构不稳定的原子会结合在一起形成空间结构较为稳定的物质。空间结构不稳定的单原子结合在一起形成空间结构较为稳定的双原子分子，如氢、氮、氧、氟、氯、溴、碘等非金属元素就是如此。结构不稳定的金属原子在自然界一般以化合物存在，而提纯后的金属原子可以结合在一起形成较为稳定的金属单质。空间结构稳定的金属原子，如金、银等，则可以在自然界以单质存在。

分子是单独存在、保持物质化学性质的最小粒子，所有的化学反应都是打破原有物质空间结构重新建立新空间结构的过程。化学反应之所以可以发生，是因为在特定的条件下反应物的空间结构不如新物质空间结构稳定。反应物的空间结构越稳定，越不容易发生化学反应。

打破反应物空间结构，依据空间结构的稳定程度需要施加不同的外力或能量，反应发生形成新的物质则会释放出能量。

在保持物质分子结构相对完整的情况下，不同的物质也有可能凝结在一起形成一种特殊结构的化学物质，比如配位化合物。配位化合物的空间结构中既有分子间的结合也有原子间的结合，当施加外力或能量的情况下，不稳定的结构会首先从化合物结构中脱落。配位化合物解构时会释放能量。

六、物质结构模型

当原子内部没有电子、中子和质子是同一种物质、质子并非只有一种时，我们必须重构物质的结构模型。

所有的宏观物体都是由单质或化合物分子凝结而成。由于单质或化合物混杂的缘故，宏观物体一般都不是纯净物。保持宏观物质化学性质的基本单元是分子。在空间之力的作用下，分子与分子凝结在一起，从而保持着宏观物体的形状。破坏宏观物体的形状需要施加能量，当分子与分子间的结合部位分开时会释放能量，宏观物体解构时的尘土飞扬就是这种能量作用的结果。相对于破坏结构需要施加的能量来说，这种能量释放显得微不足道。

分子由原子构成。在空间之力的作用下，原子按照不同的空间结构组成分子。不同种类的原子或相同原子形成不同的分子内部空间结构，决定了不同种类的分子。打破分子内原子间的结合部位需要施加外力或能量，原子分开时会释放能量。原子结合成分子时也需要外力或能量让原子相互靠近，当原子靠近到一定程度后便会主动结合在一起，原子结合在一起时也会释放能量。化学反应过程中的能量施加和释放便是如此。

原子由质子构成。原子的最外层有一层外壳，包裹着数量不等的质子。由于空间之力的作用，这些质子紧紧地黏合在一起。这些质子有可能不止一种。在原子外壳的保护下，原子保持着相对稳定的结构。

质子由更小的亚质子粒子组成。亚质子粒子在空之力的作用下更紧密地黏合在一起。质子是否有一层外壳，目前尚不清楚，但空间之力的作用足以让质子保持稳定的结构。

空间之力对亚质子粒子产生的压强大于对质子产生的压强，对质子产生的压强大于对原子产生的压强，对原子产生的压强大于对分子产生的压强，对分子产生的压强大于对宏观物体产生的压强。因此，宏观物体内部的黏合强度小于分子间的黏合强度，分子间的黏合强度小于原子间的黏合强度，原子间的黏合强度小于质子间的黏合强度，质子间的黏合强度小于亚质子粒子的黏合强度。

从亚质子粒子到宏观物体，如果没有运动，它们本身并不带电。只有当它们独立悬浮在空间中并运动时才会产生电。

七、结论

在空间之力的作用下，亚质子粒子组成质子，不同数量的质子组成原子，一个或多个原子组成分子，众多的分子组成宏观物体，一直到形成各种各样的天体。亚质子粒子最终形成了我们的宇宙。

作者简介：赵建明，毕业于中国人民大学。1985年—1989年在中国人民大学统计学系学习，1992年—1995年在中国人民大学国民经济计划和管理系学习。

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