原子光谱与李氏台格律.doc

-全国第十二次原子、原子核研讨会暨近代物理研究会第五届年会交流论文 原子光谱与李氏台格律 - 通过李氏台格律所揭示的光谱规律看原子物理学的理论革命 李映华 （华南理工大学 广州 510640） 摘 要 本文在介绍台阶三角方格数值规律（下面简称为“李氏台格律”）的同时，指出原子物理学理论革命的必然性。李氏台格律揭示，原子所发射的光谱中包含了基频和拍频。这一事实将启示我们重新认识光的本性，认识原子结构，认识原子发射和吸收光谱的更本质的因果联系。文中结合激发电势规律和电离电势规律，引出了关于原子核外电子轨道分布的崭新结论。这一结论促使我们提出重新审查现有原子结构学说和对现代物理化学中已有观测实验事实的重新认识，以及对整个物理化学基础理论进行彻底改造的重大问题。原子物理学的理论革命是不可避免的。关 键 词 原子光谱 台格律 基频 拍频 核外电子轨道 物理学 理论革命 一、李氏台格律 如图一所示的台阶三角方格中，取一系列任意数值，如1、3、4、6、7、9、10，按顺序从台阶基级往上置放作为基数（如图1）。将各基数的差值分别置于两基数垂直相交的方格内，组成台阶三角方格的派生数列。 由上述规则产生的方格内派生数列之间存在下列规律：任意两行或任意两列相邻两数之差为一常值。如倒数第一和倒数第二两行相邻两数之差等于二，左边第一和第二两列相邻两数之差为一，等等。 李氏台格律中基数和派生数列的物理意义。 （1）表示与环绕同一中心运动两物体的固有周期和会合运动周期相对应的固有频率和会合运动频率。若台阶上的数值表示固有周期相对应的固有频率，那末，方格内的派生数列则表示与会合运动周期相对应的会合运动频率。例如，在天体运动中，以T1、T2分别表示任意两行星的绕日运动固有周期，则两行星的会合运动周期1/T1-2 =1T1-1T2。用频率n1、n2、n1-2分别表示 10193274316653247643139865321 图 1 11Page of 11它们的固有频率和会合运动频率，则它们之间存在n1-2=n1-n2的关系。这一关系可以用台阶三角中的基数和派生数列表示。 （2）表示同方向不同频率的谐振动合成时的基频和拍频。设n1、n2为用波数表示的基频，n1-2为拍频，则台阶上的数值表示基频，方格内的数值表示拍频。. 二、氢光谱的李氏台格律（一） 氢光谱规律由广义巴尔末公式n = R (1/nr2-1/ni2) 所表示的氢光谱（频率用波数表示）有如下几个线系：1ni 线 系nr234567891011 赖 曼 系182258.3197491.36102822.94 巴 尔 末 系215233.21620564.79323032.54324373.34325181.05525705.95726065.6126322.90 帕 邢 系35331.587799.309139.849948.1310472.7410832.4011089.6911280.03 布 喇 开 系42467.753808.26 逢 德 系51340.52 我们研究发现，这些线系都是表现现象，现代物理学还无法令人信服地解释光谱现象中的许多问题。（1）光是什么？原子是怎样发光的？（2）光谱线系如何形成？（3）虽然原子能吸收的光谱也是本身能发射的光谱，但能发射的光谱并非都是能吸收的光谱，原子能吸收的光谱数远远少于本身能发射的光谱数。如氢原子能发射从紫外线、可见光至远红外光的宽广波段，而吸收辐射时，一般只吸收波长比1215.7埃更短的光。（4）为什么谱线的间隔与强度朝着短波方向十分规则地递减。（5）为什么有些光谱线系范围会出现重叠现象？（如图2）2 以上的问题都由李氏台格律完满的解释了。 图 2（二） 氢光谱的李氏台格律我们先看看上述用广义巴尔末公式所表示的氢光谱线系在李氏台格律中的位置。（如图3）10108771.159190.35108580.808447.61257.26108323.547807.28616.93359.67107963.8761331.891141.54884.28524.61107439.2652140.171949.821692.561332.89808.28106630.9843480.673290.323033.062673.392148.78*1340.51105290.4835947.625757.275500.015140.344615.73*3807.45*2466.95102823.532*11279.61*11089.2610832.00 *10472.33*9947.72*9139.44*7798.94*5331.9997491.541*26512.66*26322.31*26065.05*25705.38*25180.77*24372.49*23031.99*20565.04*15233.0582258.49 图 3. 说明：台阶上为赖曼系，有“*”号者，倒数第一行为巴尔末系，依次为帕邢系、布喇开系和逢德系。 三、氢光谱李氏台格律的几个结论（一） 原子发射光谱中包含基频和拍频 图3表明，已观察的属于赖曼氏的紫外线均在台阶上。其他线系全部都可放在台阶三角的方格内，并根据台阶方格的数值规律，找到他们的真正位置。经分析研究查明，巴尔末系全由已测定的赖曼系的五条谱线所合成。其他线系是由未测定的谱线与赖曼系已测定的谱线所合成。这些未测定的谱线的波数和位置可根据台阶三角的基数和派生数列间的数值规律求得。计算表明，这些未测定的谱线正是赖曼系第六至第十条谱线。从氢光谱这些已测定的光谱线数所排列的台阶三角方格中，还算出了一系列存在的谱线，这些谱线应该在观测中找到。上述情况表明，所有氢光谱中，赖曼系的谱线属于基频。其他谱线均为拍频。 （二） 光是波动过程 （1）光的衍射、干涉、偏振、多普勒效应等，说明光是一种波。 （2）从氢光谱存在基波和拍波事实，进一步揭示了光是一种波，是一种振动传播过程。空间是物质的实体，原子周围的空间是被这种物质所充满的。这种物质以前人们称之为以太。我们称它为真空物质。3它是光波（包括各种波长的电磁波）传播的载送物质。正如空气是声波的载送物质。真空物质是客观存在的，已为近代物理学的丰富观察实验所证实。十九世纪以前人们对它的运动状况了解不够，甚至得出一些不正确的结论。十九世纪以来已积累的大量观察实验资料表明，空间是为特殊形态物质所充满的，物质是在运动中存在的。离开空间的物质内容和过程的物质作用机制，纯粹根据能量概念和数学方法去了解自然现象已经不可能了。不能回避解答过程的物质作用机制问题。 （三）原子的发光机制光是一种波动过程。那么，原子是如何发光的呢？我们认为，原子有一个到现在仍未被人们认识的核心。这个核心高速地旋转着，并牵引周围真空物质形成电磁场，核外有电子环绕它旋转。电子并非在虚空中运动的，它是在实实在在的真空物质携带下绕核运动的。一般情况下，电子绕核运动的速度与所在轨道上真空物质的绕核运动速度相同，处于稳定状态，既不发射电磁波，也不会落入原子核。只有在电磁波的作用下，或原子之间发生相互碰撞，引起电子在固有轨道附近振动时，才发出与固有轨道运动相近频率的振动传播，这就是原子发射光谱中的基波。沿同一方向传播的基波由于振动合成形成拍波。 （四）关于电子轨道的新结论. 电子在原子核的电磁场内受核磁力作用绕核运动。一般来说，电子的所在轨道与该原子的吸收光谱频率相对应。究竟那一类原子有几个电子，现在要作出结论还为时过早。必须进行深入的实验观测后才能了解。但，这一点是无容置疑的，现代物理学对原子核还不真正了解，现在占统治地位的原子结构观念必须扬弃。必须重新认识质子、中子及各类微观粒子现象。必须在综合分析已有实验观测材料的基础上，通过原子吸收光谱的更精确测量，用理论结合实验的方法，分析原子的核结构和电子的轨道分布。现在我们能够得到的认识是： （1）原子有一个电磁的核心，它象一个高速旋转的陀螺。电子在原子核的电磁场中绕核运动。一般情况下，它的公转速度与所在轨道的真空物质绕核运动速度相同，虽然加速运动也不会发射光波，不会掉进原子核。 （2）原子内电子的轨道运动频率与吸收光谱的频率相对应。可以通过原子的吸收光谱了解各类原子中电子轨道运动状况。. （3）由于电子之间的斥力，多电子原子的轨道是按安全运动规律分布的。电子的运动只能在互不相干的安全轨道上存在。这些轨道是分立的，并为吸收光谱所反映。 （4）核外电子主要分布在与光学光谱和伦琴光谱对应的二个轨道带，自由电子占据着原子的最外层。 上述原子核外电子分布结论，可以解释现有物理学中所有现象和事实。它涉及到现代物理学和化学中一系列现象和规律的重新认识和阐述，并向人们提出许多有待研究的重大课题。. （五）对谱线现象的合理解释 （1）光是一种特殊形态物质的振动传播，原子受作用引起核外电子在固有轨道上振动时，作用力由外层往内层传递，并逐渐减弱，故其辐射强度由外往内逐渐递减。基频第一根谱线，也是亮度最大的谱线，是由最外层轨道电子搅动所产生。 上述解释，人们会提出这样的质疑：这样说来，氢原子核外不是存在多个电子了吗？回答是肯定的。如果发射基频时，是由于氢原子核外单一电子几率分布所处轨道不同，则它们受作用时应该存在平均强度。不可能存在谱线强度由长波向短波逐渐递减的规律变化。这一规律性的合理解释只能是：处于同一原子核外不同半径上的电子由外往内受作用的结果。 （2）原子受激发所辐射的基波频率与核外电子的轨道运动频率相对应。原子受作用辐射基频同时，由于电子的会合运动产生与会合运动周期相对应的拍频。所以，我们观察到的光谱中包含基频和拍频。这些频率中强度较大部分都在发射光谱中观测到了。而原子吸收光谱时，轨道电子一般只吸收与自已轨道频率相对应的波数。拍频并不存在对应的电子轨道，所以，原子能吸收的光谱线数远远少于本身能发射的光谱线数。 （3）原子受作用引起轨道电子发出振动传播时，所发射的每一个基频均由长波往短波方向合成拍频，由于基频的强度由长波向短波方向有规律的递减，所以每一个基频与短波方向的基频合成拍频时，都会形成一列强度由长波向短波方向逐渐递减的线系。这就是，在光谱的李氏台格律中每个基频对应横行所表示的光谱线系。由基频合成拍频时，其合振幅最大的第一根谱线是最明亮的，并成为线系的节点，它是基频频差最近两根谱线的第一个拍频，又是台格律中行与行、列与列之间同波数的次级拍，其合振幅最大，因而形成线系划分第一根最明亮的谱线。它是形成线系的标识谱线。一般来说，谱线数目与基频数目相同，原子能发射多少个基波便有多少个谱线系统。在李氏台格律中所表示的氢光谱规律的光学光谱中共存在10个谱线系统。目前人们已测定的有五个谱线系。由于其它谱线系都在远红外线部分，同时强度越来越弱，观测也就较困难了。 （4）在李氏台格律中，可以看到有些线系之间波段存在重叠现象。如布喇开系，在台格律中包含了波数为2466.95至5947.62的谱线。而在线系跨度属于上述线系范围的波数为5331.99的一条却成为帕邢系的第一根最强谱线。同样，逢德系的波数包含1340.51至3480.67的谱线，而在线系跨度属于上述线系范围的波数为2466.96一根谱线，却成为布喇开系的第一根最强谱线。这正是光谱观测中的实际情况。 四、支持李氏结论的其它规律 （一）激发电势规律 夫兰克-赫兹在水银蒸汽中作临界电势实验结果说明什么？ （1）实验结果（略）4 （2）所观测到的水银临界电势（单位：V）有 4.9 9.8 11.2 13.5 14.7 16.0 17.6 19.3 20.2 21.2 传统观点认为，这是电子与水银原子发生弹性碰撞的临界电势，其他为非弹性碰撞，电子不能达到板极。 根据新的原子结构观点，水银原子中存在频率的波长为2537和1849的电子轨道，其共振激发电压分别为4.9V和6.7V。当实验中两端电压处于上述临界电势时，水银原子这些轨道上的电子便产生共振电离导电。事实上，上述临界电势的数值由两个基数组成：a = 4.9V,b = 6.7V （最初第二个数不是单独地观测到的，而在一些观测中也可发现6.7V的电流峰值，如图4）容易看出： 9.8=2a, 11.2=a+b, 13.5=2b, 14.7 = 3a, 16 = 2a + b, 17.6 = a + 2b, 20.2 = 3b, 21.2 = 3a+b, 等等。 上述实验观测数据，形象地表明水银蒸汽中原子核外波长为2537和1849相对应的轨道电子在共振激发电势4.9V和6.7V及倍频电势作用下形成共振电离导电的事实。这一事实也证明了本文提出的原子核外电子分布理论是与现代物理学已有观测实验结果相一致的。 在一些更精细的观测中，还可以看到4.68、4.9、5.29、5.78、6.73V之间的精细伏安曲线（如图4 所示）。5 图 4 通过分析水银原子的吸收光谱所对应激发电势后，可以看到该原子中其它电子会在特定激发电势下组合形成共振电离导电的事实。 序 号 吸收光谱 （A） 相应激发电势（V） a 5460.74 2.27 b 4358.35 2.84 c 4046.56 3.06 d1 3663.28 3.38 d2 3654.83 3.39 d3 3650.15 3.39 e 2536.52 4.90 f 1849.00 6.73 图4中伏安曲线激发电势的组合： 激发电势（V） 组 合4.68 2a = 4.544.90 e = 4.905.29 a + b = 5.115.78 b + c = 5.906.73 f = 6.73 在共振电势作用下，轨道电子受激发出辐射，是波粒相互作用的形式之一。以l表示轨道电子受激发时的辐射波长，V为共振激发电压，C为光速，e为电子电荷，mz为波粒相互作用时，每一振动真空物质与电子相互作用的作用部分质量，则其关系为： mzC3 l = (1) 2eV式中： mz = 1.4784 10-50公斤. 秒。6 根据上述关系，可以推出可能组合共振辐射和组合电离导电公式： namzc3 naeV1 = (1a) 2l1 nbmzc3 nbeV2 = (1b) 2l2 上述关系中，V1、l1及V2、l2为a、b轨道电子相应共振激发电势和共振激发波长，na、nb为可能激发组合，na(nb)=0、1、2、3自然数。将式(1a)、(2b)两边相加，得： mz c3 na nb e ( naV1 + nbV2 ) = ( + ) 2 l1 l2 mzc3 na nb SV = ( + ) (2) 2e l1 l2 上式中，S V 为共振激发组合电势。令 mz c3 / 2e 为复合常数B， na nb SV = B ( + ) (2a) l1 l2上式中， B = 1.243413 106 公斤 .米3. 秒3. 库-1. 上述结果也适合伦琴射线波长与电子的加速电势的计算。当加速电势较大时，应根据高速运动关系式予于修正。 （二）“电离势”规律所揭示的电子轨道 按照现有的认识，元素失去电子的难易，可以用电离势来衡量。从原子中去掉电子把它变成阳离子，需要克服核电荷的引力而消耗能量，这种能量称为电离能。从气态原子在最低能态时失掉一个电子成为+1价阳离子所必须消耗的能量称为第一个电离能；从+1价阳离子再失掉一个电子成为+2价阳离子时所消耗的能量，称为第二电离能，余类推。 现代理论还认为，元素的第二电离能比第一电离能大，因为原子失去一个电子后，核电荷数就超过了核外电子数。再失去第二个电子就困难一些，需要的能量就大些。因此，在现有原子结构理论基础上，人们根据元素气态原子时伏安特性曲线的数值编制了各元素的电离电势一览表。当从新理论的角度考察有关电离电势时，就会惊人地发现，一些元素的所谓电离电势存在非常有趣的规律，这一规律表明，现代物理学的结论错了。这一规律又是新原子结构理论关于核外电子分布及其运动状况的有力证明。这里列举铯原子的电离电势规律作一探讨。关于铯原子的电离电势在不同的文献中有不同数值，理解也不一致，例如： （1） 史包尔斯基在所著原子物理学一书中列举的数值。 7电 离 级Cs+ Cs2+ Cs3+ Cs4+ Cs5+Cs6+ Cs7+电离电势 3.9 27.4 62 113 171275 410 （2） 物理学和天体物理学一书中的数值 。8 电 离 级 I II III IV VVI VII VIII IX X 电离电势 3.894 25.1 35 46 6274100 120145 250 上述对铯原子电离电势的理解虽然是矛盾和混乱的，但上述数据毕竟是该元素伏安曲线的观测数据，它们都存在一个简单的规律，就是所谓第二电离势以后的各电离势数值都是第一电离势的整倍数。与前面谈到的水银的激发电势的整倍数规律和组合共振电离电势规律有同一形式。这就表明，这些所谓电离电势并非人们所理解的那样是铯原子失去第二、第三等电子而形成+2、+3价离子。实质上，3.9V电势是铯原子核外频率近似5000和9000二个轨道上的电子的组合电离电势。这一情况令人非常形象地看到了铯原子核外电子的运动状况。 附：铯原子电离电势规律（1） 电离级 电离电势 倍数n I 组合电离电势 I 3.894 1 I 3.894 II 25.1 (27.4) 7 I 27.3 III 35 9 I 35.0 IV 46 12 I 46.7 V 62 16 I 62.3 VI 74 19 I 74.0 VII 100 26 I 101.2 VIII 120 31 I 120.7 IX 145 37 I 144.1 X 250 64 I 249.2 铯原子电离电势规律(2) 电离级 电离电势 倍数n Cs +Page: 8 组合电离电势 Cs+ 3.9 1 Cs + 3.9 Cs2+ 27.4 7 Cs+ 27.3 Cs3+ 62 16 Cs+ 62.4 Cs4+ 113 29 Cs+ 113.1 Cs5+ 171 44 Cs+ 171.6 Cs6+ 275 70 Cs+ 273.0 Cs7+ 410 105 Cs+ 410.0 五、对已有观测现象的重新认识（一） 光电效应 将光电效应现象作为光的粒子性表现的论点是站不住脚的。 现代物理学跟着爱因斯坦认为，光是一种特殊的粒子叫“光子”。光电效应的机构是“光子”碰击电子，打出电子。这个理论的细节及其结果就不说了，它完全撇开了波动光学及电磁过程的有关许多非粒子理论所能解释的事实。这一理论在解释光电效应时也是很牵强的，站不住脚的，特别是选择性光电效应中的情况。 光电效应是波粒相互作用形式之一。根据波粒相互作用能量交换关系式（1），可以推出光生电场的共振电势V=mzc3/2e。由于光照在金属表面拉出电子时，要克服原子电磁场引力，故其逸出条件为：mz c3 me v2 2l 2 (3) 上式中，me为电子质量，v为电子逸出时的速度，为入射光的波长。 不同金属电子轨道运动有特定频率，产生光电效应所需入射光的频率也就不同。这正是实际观察到的情况。将上述关系化为等式，则mz c3 me v2 = + A 2l 2 (3a)上述关系中，A为电子克服原子电磁场力的逸出功，与金属原子固有电磁场强度有关。 电子在原子中的这一运动特点，也可以从所谓电子的波粒两象性中的情况得到进一步了解。 （二）关于电子的“波粒两象性”现象的实质 究竟电子是粒子还是波？为什么微观客体在运动中会出现粒子和“波动”的双重性？这个问题与光电效应及康普顿效应中提到的“光具有粒子的性质”问题一起，成了现代量子力学讨论的焦点。许多学者为了解释这个问题，钻进了数学王国，将洋洋巨著献给了它。其实，撇开了现象的物质过程，希望用纯数学的方法去发现世界真理，是不可避免要误入岐途的。 笔者认为“波粒两象性”是非科学的混乱概念。关于粒子的波动性理论是对现象的曲解。这里考察一下所谓电子的波粒两象性现象的实质。 电子穿过金属膜投在屏上会出现“衍射图形”，像光的行为。这一现象使许多学者感到迷惑不解，他们认为，这是粒子也有波动性的证明。其实这是未弄清现象因果关系的不正确结论。对电子运动这一表象无法理解，不外又是离开了空间的物质内容及电子在原子中的运动特性去探究的结果。前面谈到电子在原子中的存在形式时已经指出，电子在原子中是与原子空间中的真空物质一道绕核作规律运动的。电子受到某种作用跃离原子飞到真空时，由于轨道运动的公转必转化为飞行中的自旋，与真空物质相互作用，其飞行轨道必然是曲线。电子束通过金属膜后形成“衍射图象”，正反映了空间的物质实体性及电子在原子中作轨道运动的特性。由于电子在原子中有确定的轨道，故其飞出原子后由轨道运动确定的自旋，也是与固有频率相对应的。所以当电子经过真空穿透金属膜投在屏上时，是按固有频率分布的，这就出现了类似光波的衍射图形。从本性上说，电子是粒子型的。实验结果也完美的表明了这一点。一些学者用强度极为微弱的电子束对晶体面作衍射试验，使得电子在晶体和照相底片之间进行“衍射”时，每次几乎只有一个电子。如果电子既有粒子性又有波动性的话，则这些单个电子投射在屏上也应该出现衍射图形。事实不然，他们发现，电子和照相底片起作用仍是一颗一颗地落在照片上，而不是以干涉图形落在照片上。只有当曝光时间足够长，电子数目很多时，才可以看到底片上由各个电子所作用的许多斑点逐步地以统计形式地形成一个“衍射图形”。如果将穿过膜的电子束引入磁场，则电子受到磁场的作用投在屏的另外区域，同时，“衍射图象”也发生变形，而对光及