原子的微场结构形态

私有资料 2017-02-14

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双电子轨道理论之一

原子的“微场”结构形态

——“微场模式”的发现与描述（一）

侯马市教研室王玉生

篇首语：

阿基米德说：“假如给我一个支点，我可以推动地球”。

本文作者说：“送您一个模型，您可能会去设计分子”。

摘要：

本文描述的是一种全新的原子结构形态，称为《微场模式》，它是在电场作用线、微观磁力场、和双电子轨道发现的基础上，对原子结构进行分析，发现了一些规律，这对于化学键理论的更新，对于研究分子的立体结构，具有十分重要的意义。

关键词：

电子轨道微场平面定轴交叉微场模式

正文

在自然科学中,探明物质的结构,始终代表着基础理论研究的一个重要的方向。十九世纪末到二十世纪初,随着电子和原子核的发现,人们把探明物质结构的目光，集中到了原子结构领域，然而,原子结构的复杂性和电子绕核运动的不可“预测性”,人们始终没有找到一种能够利用常规力学原理，去描述和解决原子结构问题的方法，于是，人们不得不放弃传统的常规力学原理，去找新的解决的办法，去另某出路。

1926年，薛定谔推出了量子力学方程，人们认为这是描述电子运动的数学工具，第二年，有人用它解决了氢分子中电子的运动问题，在这个工作的带动下，量子化学也就应运而生，有人试着用它来计算和解决化学问题，然而，利用它能够解决的实际问题，还是十分之有限，许多重要的化学问题，由于量子力学理论不能从本质上给予明确指导，要解决一个具体的化学问题，往往需要凭借着过去经验，反复实验，盲目摸索，多了多年的弯路，还是迟迟不能解决问题，显然，这种纯靠摸索的办法，是十分浪费的。

在自然界中，带电体外围存在有电力线（也就是电场作用线），它的横向位移能够产生磁，电子绕核，由于其外围负电性电力线的横向位移，能够产生一种特殊形态的磁力场——微观磁力场，因此，电力线的发现，这对于认识微观磁力场的存在，具有十分重要的意义；对于自然界中的磁，它是以磁力线的形式而体现，磁力线的横向位移，能够对电荷产生磁力作用（即洛仑兹力），因为“微观磁力场”的磁力线是一种带有横位性质的反向磁力线，它对反方向进入其中的电子具有磁力束缚作用而形成一种特殊形态的电子轨道——“双电子轨道”，因为 “微观磁力场”和“双电子轨道”都是组成原子结构的基本构件，可以说，“电场作用线”的发现,或者说认识电力线的存在，是人类科学发展史上的一大进步！

在自然科学中，探明物质结构的核心是探明原子结构，探明原子结构的目的是为化学研究提供服务，而化学研究的根本出路在于常规力学手段的介入！ “微观磁力场”的发现，为常规力学手段介入微观问题的研究找到了可能！换句话说，“微观磁力场”的发现，为常规力学手段打开微观世界的大门，为牛顿力学扩展到微观领域，奠定了基础！

探明原子的结构的关键，是要搞清楚组成它们的基本构件，在多电子绕核系统中，电子绕核有怎样的轨道结构，它们如何分层排布，各层电子的绕核状态，它们是在怎样的轨道中进行绕核，外层电子的轨道结构如何，电子轨道的在形成分子时有怎样的变化，怎样描述分子结构和化学键形态，这些问题随着“双电子轨道”的发现，将得到解决，因此，双电子轨道的发现，对于促进原子和分子结构理论、化学键理论，酸碱理论的发展，具有非常重要的促进作用。

本文在上述三大发现的基础上，斗胆创立了《场作用线位移理论》，它是描述和破解原子结构的重要工具，根据这个理论工具，我们对原子的微观结构形态进行讨论和介绍，这对促进原子结构理论、化学键理论、分子结构理论、酸碱理论的发展具有重要意义，由于涉及面广，所用的篇幅也大，所以，我们只能采用系列讨论的形式撰文，希望广大学者和专家们能够仔细的推敲，为促进化学理论的发展，尽一份努力！！

一、自然界中物质的组成

在自然界中，各种物质的最小单元称为分子，分子是体现物质基本化学性质的最小颗粒；分子是由原子组成的，原子是物质参与化学活动的最小微粒；原子又是由原子核和绕核电子组成的，原子核是由带正电的质子和电中性的中子组成，原子核内有几个质子，就能够吸引几个电子在原子核外绕核，电子是带负电的最小微粒，所带电量为e，e = -1.6×10^-19库仑。

二、组成原子的实物构件和特殊构件

1、原子核

在原子结构中，原子核带正电，位于原子的中心，它能够向外发射正电性的电力线，称为核力线外射。因此，在原子核外围的有限区域，明显存在有电力线，这个区域称为电场，它是一个特殊的空间，在这个特殊的空间存在有特殊的物质——电场作用线，简称电力线，电力线是看不见的客观存在。

2、电子

电子是带负电的最小微粒，电子外围存在有负电性的电力线，它是单位负电场的场源，称为电子场，而原子核是正电性电力线的发射源，正电场的场源。原子核和电子外围电力线的分布如图（1—1）所示。

原子核和电子外围的电力线都是辐射出来的特殊的物质流，有能量，也有动量，方向是向四面八方的，是看不见的特殊的物质，原子核和电子是客观存在的实体，属于客观实物，而电力线属于场作用线，而我们知道的光子属于能量粒子，因此，自然界中物质的存在形态有三种：实物、能量粒子和场作用线。

3、单电子轨道

在原子结构中，电子在原子核的吸引下，绕原子核旋转而形成的电子轨道称为单电子轨道，单电子绕核能够产生一种平面圆周式的微观磁力场，其产生的机理是：

电子直线运动时，由于其外围负电性电力线的横向位移，能够产生一种“短弹簧” 式磁力线，其断面是以运动线径为圆心的反方向磁力线，其疏密程度与电子的运动速度成正比，与断面半径的平方成反比；

4、微观磁力场

当电子在原子核的吸引下绕原子核旋转时，能够在绕核圆周上产生一种平面圆周式的磁力场，其形状就是以上述短式弹簧为基础，划过一周而形成的“圈簧”式的磁力场，因为它是存在有绕核圆周上的磁力场，可以称为微观的磁力场，简称“微场”，微场的基本形态如图（1—2）所示。

“微场”是一种特殊形态的磁力场，第一、它由反向磁力线组成；第二、它是管道式磁力场；第三、它的磁力线随电子的运动而横向位移；第四、它是电子在绕核圆周上多次绕核留存下来的总体磁体现，所以，在绕核圆周上各点处的磁场强度处处相等。第五、在电子绕核速度一定时，“微场”磁力线的疏密程度与绕核半径的平方成反比，因为“微场”也是“线场”，其微场磁力线的疏密程度实际上是微场的强度。

5、双电子轨道

在多电子的原子结构中，单电子绕核产生的微场能够对反方向进入其中的电子产生磁力束缚作用，而反方向进入的电子产生的微场对原来的绕核电子也具有束缚作用，这样就形成一个稳定的在同一个微场平面内沿相反方向旋转的电子轨道——双电子轨道，双电子轨道的形成示意图如图（1—3）所示。

设，现有一个电子e₁在原子核外沿顺时针方向绕核，如图（1—3a）所示，现在有两个电子沿微场平面以一定速度进入管道，e₃与电子e₁的方向相同，由于不存在磁力线的相对横向位移，因此，它不会受到微场的束缚作用，它在电子e₁与的排斥作用下，要远离微场，电子 e₂沿原绕核电子相反的方向进入管道，它将受到微场偏向场心的作用力，形成如图（1—3b）的双电子轨道，一个是顺时针方向绕核，另一个是反时针方向绕核。

三、原子的微场结构形态

在原子结构中，原子核位于原子的中心，能够向外发射正电性的电力线；电子在正电性电力线的作用下，绕核旋转而形成单电子轨道。单电子轨道的圆周上存在有微场；微场对反方向进入其中的电子，具有磁力束缚作用而形成双电子轨道，单电子轨道和双电子轨道都具有确定的平面，这些平面在原子核外能够沿确定的轴线而交叉，这种以原子核为中心、以电子轨道场为作用场、以双电子轨道平面为基础的“电子轨道分层排布、轨道平面定轴交叉、内层轨道叠交过渡，外层轨道四道饱和”的球式原子结构，称为原子的微场结构模式，简称“微场模式”。

四、描述《微场模式》的数学工具

为了描述“微场模式”中的原子结构，需要引入一个专门的数学工具——“透视正交坐标系”，这个坐标系是数学中三维正交坐标系，沿Z轴透视而形成的，具体说，两条坐标轴相互垂直，再引入它们的两条夹角平分线组成平面“米”字坐标系，沿它们的垂直方位透视而形成的，也称为“透视米字坐标系”，如图（1—4）所示。

图中:（a）图是三维正交坐标系，（b）图是平面直角坐标轴和它的夹角平分线，（c）图是透视坐标系坐标轴和夹角平分线所占的方位。其中：x轴和y轴分别占0⁰和90⁰方位，两条夹角平分线分别占45⁰和135⁰方位，元素符号在坐标原点，使用时箭头省略。

在透视坐标系描述原子结构，就是以原子核为原点，以原子外层电子轨道的立面为x轴，以轨道平面的交叉轴为z轴建立透视坐标系，元素符号在坐标原点上，原子外层的电子轨道透视以后，可以用一条短线表示，短线的侧边加单箭头和双箭头，分别表示单电子轨道和双电子轨道，这样不仅简便，而且直观。

例1、氯原子结构

氯原子的原子序数是17，元素符号是Cl，平均原子量是35.453，原子核内含17个质子，原子核外能够吸引17个电子绕核，电子分三层排布，第一层有两个电子，能够形成一个双电子轨道；第二层有8个电子，是4个双电子轨道的定轴交叉，第三层有7个电子，可以形成三个双电子轨道和一个单电子轨道，实物结构图如图（1—5a）所示。

它的0⁰、45⁰和90⁰三个方位上是双电子轨道，135⁰方位上是单电子轨道，这是它外层电子轨道的结构，图b是它的原子结构图，图c是沿135⁰单电子轨道方位上做的切面图，有一个电子在平面圆周上绕核，这个方位上存在3个单位的正电性，吸引外来电子的电场强度很强，吸引氢原子的电子，能够形成绕氯原子和氢原子旋转的双电子轨道，即形成了分子轨道，图d是氯化氢的分子结构图，氯原子在135⁰方位上是分子轨道，在其它三个方位上是原子轨道。

例2、氧原子结构

氧原子的原子序数是8，元素符号是O，平均原子量是15.9994，原子核内含八个质子，原子核外能够吸引8个电子绕核，电子分两层排布，第一层上有一个双电子轨道；第二层有6个电子，能够形成两个双电子轨道和两个单电子轨道，双电子轨道占0⁰和90⁰方位，两个单电子轨道分别占45⁰和135⁰两个方位，原子结构如图（1—6a、b）所示。

在氧原子结构中，它的45⁰和135⁰两个方位上是单电子轨道，单电子轨道方位上的切面图与氯原子的单电子轨道的切面图相同，在这个切面的圆周上存在2个单位的正电性，吸引氢原子的电子形成绕氧原子和氢原子旋转的双电子轨道，即形成了水分子，在水分子结构中，这两个分子轨道平面之间的夹角是90⁰，由于原子在分子轨道中的转位性和分子轨道中原子之间的排斥作用，使分子轨道平面之间的夹角有所增大，因此，∠HOH = 104⁰.45′，水分子结构如图c所示，实体结构如图d所示。

可见，在分子轨道中，组成分子轨道的微场平面是活动的，其平面之间的夹角是可以张大或缩小的，第二，在分子轨道中，双电子轨道像一个“圈簧”，都分子轨道中的原子具有“捆绑”作用，很像“橡皮筋”捆绑“玻璃球”，玻璃球在分子轨道的平面内是可以转位的。

例3、氮原子结构

氮原子的原子序数是7，元素符号是N，平均原子量是14.0067，原子核内含七个质子，原子核外能够吸引七个电子绕核，电子分两层排布，第一层上有一个双电子轨道；第二层有5个电子，能够形成一个双电子轨道和三个单电子轨道，双电子轨道占0⁰方位，三个单电子轨道分别占45⁰、90⁰和135⁰三个方位，组成结构如图（1—7a、b）所示。

在氮原子结构中，它在0⁰方位上是双电子轨道，即过去研究中的“孤电子对”；在45⁰、90⁰和135⁰方位上是单电子轨道，对外显示1个单位的正电性，吸引氢原子的电子，而形成绕氮原子和氢原子旋转的分子轨道，由于分子轨道中氢原子之间的排斥作用而彼此转位，很像三个氢原子支撑着氮原子，因此，分子的立体结构呈“三棱锥”型，在所有的含氮的分子结构中，氮原子的0⁰方位上存在有原子轨道，对外显示三个单位的负电性，能够被正电性的原子吸引，蛋白质分子中的氮原子，被重金属原子吸引以后，影响它正常的生物活性，给生命体造成生理障碍，显示出它们的毒性。

在同族的原子结构中，它们的外层电子轨道的结构是一样的，比如氟原子的外层电子轨道的结构与氯原子相同，比较氮原子、氧原子和氟原子，它们在单电子轨道方位上的正电性强度分别是+1、+2、+3，因此，它们的化学活泼性依次增强，也就是说它们的化学活泼性随核电荷增加而增强，这就从常规力学原理上，说明了它们的化学性质。

五、第一周期的原子结构

在化学元素周期表中，第一周期的元素有两个：氢和氦。它们的原子结构比较简单。

例4、氢原子的结构

氢原子的原子序数是1，元素符号H，平均原子量为1.00794，原子核中含有一个质子，不含中子的称为氢，含一个中子的称为氘，含两个中子的称为氚，它们称为氢的同位素，都属于同一种元素，其原子的结构相同，它们的基本结构是：原子核位于原子的中心，原子核外存在一个单电子轨道，原子核对电子的吸引力等于电子做圆周运动所需的向心力，即：

单电子绕核能够产生“微场”，因为“微场”对自身电子不具有磁力束缚作用，所以，氢原子核外的电子只是受到原子核的吸引力，在原子核外做平面式的圆周运动，电子不具有“波动性”，原子的轨道结构如图（1—8）所示。

图中（a）表示氢原子的实物结构；（b）表示它的平面结构图；（c）是原子结构图

例5、氦原子的结构

氦原子的原子序数是2，元素符号He，平均原子量为4.002602，原子核中含有两个质子，原子核位于原子的中心，能够吸引两个电子在原子核外绕核，这两个电子在原子核外能够形成一个“双电子轨道”，很像一个小玻璃球外套上一个“圈式的弹簧”，“圈簧”有一个确定的平面，电子在“双电子轨道”中沿相反的方向绕核，做一种螺旋式的轨迹波运动，原子结构如上图（1—9）所示。