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双电子轨道理论之二
原子微场结构的力学特征 ——“微场模式”的发现与描述（二）
侯马市教研室 王玉生
简要说明： “微场”就是微观磁力场，它是由电子绕核而产生的微观磁力场。在过去的研究中，人们是从氢原子开始研究原子的结构，一方面是把电子当作质点来处理，不需要考虑它的运动产生怎样的磁，也不需要考虑这种磁对其它绕核电子的影响，另一方面是没有一个能够描述电子绕核产生磁力场的力学工具，所以，过去的理论是不客观的。 本文就是以原子的真实结构为基础，利用常规力学原理为工具，对原子的微观结构进行实事求是的讨论，属于科学探讨，也属于科学创新，这对于一般学者来讲，它是陌生的，就是对高层学者甚至高层专家来讲，也是不熟悉的，希望中国本土上的高层专家，能够放下“专家”的架子，放弃保守的“思维惯性”，对中国本土上出现的科学发现和理论创新，能够正眼看待，也许本理论的出现，将会促进人类文明的发展，是中华民族对人类科学发展的又一次伟大的贡献！
篇首语： 过去的理论认为：电子绕核能够形成“电子云”，电子云是“想像力的产物”； 双电子理论认为：电子绕核能够产生“微场”，“微观磁力场”是客观存在。 摘要： 本文利用《微场模式》这个重要工具，对元素周期表中部分周期中元素的的原子结构，进行讨论。分析它们的力学特征，这对于讨论原子之间形成化学键的形态，对于利用常规力学手段解决化学问题，对于促进分子工程学目标的实现，具有十分重要的意义。
关键词： 原子结构 电场强度
正文 在自然科学中，化学是一门非常重要的分支学科，它是从原子和分子尺度上去研究物质组成和结构，物质的变化和性质，其中，探明物质的微观结构是基础，探明物质结构的核心是探明原子的结构，探明原子结构的关键是搞清楚电子的绕核运动。二十世纪以来，人们没有找到利用常规力学原理解决电子绕核运动的方法，“电场作用线”、“微观磁力场”、“双电子轨道”的发现，为打开微观世界的大门，提供了条件，《微场模式》的发现，对于促进微观力学理论的发展，对于促进化学键理论的更新，具有十分重要的意义。 在化学现象中，原子参与化学活动的能力，取决于原子对外来电子的吸引能力，因此，研究原子核外的电场强度，对于研究原子化学性质的基础！
六、原子核外的电场强度 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，所以，原子核外的有限区域，就是一个以原子核为场源的点电场，在这个有限的区域内，各点处的电场强度特点是典型的点电场特点，根据常规力学原理有：电场强度与原子核所带的电量成正比，与原子核的距离平方成反比。可以用数学公式表示为：
E核外 = Ze / r2 （1）
式子中，Z表示原子序数。e表示电子电量，r2表示距离平方。
这是为了便于描述和研究，原子核所带的电量取“电子电量”为单位，简称为几个单位，因此，在原子核外某点处的电场强度，与原子核内的质子数成正比，原子核内有几个质子，它就能够向外发射几个单位的正电性电力线，这个规律称为：核力线定量外射原理。这是原子结构第一个基本力学特征。
七、内层电子对核力线的屏蔽作用 在多电子的原子结构中，原子核外的电子是分层排布的，原子外层和原子外围，其电场强度是被内层电子屏蔽以后的强度，根据研究发现，内层电子对原子核的电力线具有等量的屏蔽作用，因此，在原子的外层球面上，其电场强度有：
E外层 = （Ze - n内 e）/ r2 = n外e / r2 （2）
式子中，n内表示内层电子数，n外表示外层电子数，e表示电子电量，r2表示原子的平方。
上式的结果表示，原子内层有几个电子，它对原子核电力线就有几个单位的屏蔽作用，这个规律称为：内层电子的等量屏蔽原理，这是原子结构第二个基本力学特征。 根据这个特征可以知道：原子外层有几个电子，在它的外层球面上就有几个单位的正电性强度，计算起来非常简单。
八、外层电子对“核力线”的屏蔽作用 在化学现象中，原子参与化学活动的能力取决于原子外围的正电性强度，也而原子外围的正电性强度是被内层电子和外层电子屏蔽以后的强度，在4个微场平面“定轴线交叉”的原子结构中，每个电子轨道的平面所占的方位是450，而电子轨道中每个电子可以屏蔽4个单位的正电性的强度，这称为“外层轨道方位性等量屏蔽原理”，这是原子结构第三个基本特征。 根据这个特征我们知道，原子外围某点处的电场强度有：
E外围 = （n外e - 4ne）/ r2 （3）
式子中，n外表示外层电子数，e表示电子电量，n表示电子轨道中的电子数， r2表示某点处到原子核距离的平方。 例6、氮族元素单电子轨道方位上的电场强度 氮族元素包括氮、磷、砷、锑和铋，除后两位是金属元素外，前三位原子外层电子的轨道结构基本相同，它们的原子结构如图（2—1）所示。
在氮族元素的原子结构中，它们在00度方位上是“双电子轨道”，在450、900、1350方位上是单电子轨道，在单电子轨道方位上，其电场强度为：
EN单 = （n外e - 4ne）/ r2 =（5e - 4e）/ r2 = 1e/ r2 （4）
在单电子轨道方位上是一个单位的正电性的电场强度，能够吸引外来电子而形成分子轨道，分子轨道的类型见后文讨论。 例7、氧族元素单电子轨道方位上的电场强度 氧族元素包括氧、硫、硒、碲和钋，除最后两位元素不常见外，前三位原子外层电子的轨道结构基本相同，它们的原子结构如图（2—2）所示。
在氧族元素的原子结构中，它们在00度和900方位上是它的“双电子轨道”，在450、1350方位上是单电子轨道，在单电子轨道方位上，其电场强度为：
EO单 = （n外e - 4ne）/ r2 =（6e - 4e）/ r2 = 2e/ r2 （5）
在氧族元素的原子的单电子轨道方位上，存在2个单位的正电性的电场强度，吸引外来电子的能力比氮原子强。 例8、卤素原子单电子轨道方位上的电场强度 卤素元素包括氟、氯、溴、碘、砹，除砹以外，它们原子外层的电子轨道基本相同，它们的原子在00、450和900方位上是“双电子轨道”，在1350方位上是单电子轨道，它们的原子结构如图（2—3）所示。
在卤素原子的在单电子轨道方位上，其电场强度是3个单位，吸引外来电子的能力比氧族原子还强，因为在点电场中，某点处的电场强度与点电场的场源所带电量成正比，而与原子核的距离平方成反比，所以，卤素原子单电子轨道方位上的电场强度随原子半径的增大而减弱，因此，它们的非金属性随原子半径的增大而减弱，单电子轨道方位上电场强度的计算如下：
E单 = （n外e - 4ne）/ r2 =（7e - 4e）/ r2 = 3e/ r2 （6）
九、“双电子轨道”的过量屏蔽作用 在原子结构只，外层电子对原子核的电力线具有方位性定量屏蔽作用，而电子轨道中的每个电子能够屏蔽4个单位的电场强度，因此，在“双电子轨道”方位上往往存在屏蔽过量现象，这称为“双电子轨道屏蔽过量原理，” 这是原子结构第四个基本特征。 在上文的讨论中，我们讨论到在氮原子的双电子轨道方位上，存在3个单位的负电性；而氧原子双电子轨道方位上存在2个单位的负电性，氯原子双电子轨道方位上，存在1个单位的负电性，它们都属于屏蔽过量现象，在这些方位上能够吸引力正电性的原子而形成化学键，其屏蔽过量的计算仍然是用上述公式，基本计算如下：
EN双 = （n外e - 4ne）/ r2 =（5e - 8e）/ r2 = -3e/ r2 （7） EO双 = （n外e - 4ne）/ r2 =（6e - 8e）/ r2 = -2e/ r2 （8） ECl双 = （n外e - 4ne）/ r2 =（7e - 8e）/ r2 = -1e/ r2 （9）
通过上述讨论我们发现：在原子结构中，电子轨道各占一定的方位，在这些方位上存在一定强度的正电性或者负电性，基本特点是： 如果（n外e - 4ne）>0，说明这个方位上存在有正电性强度，具有吸引外来电子的能力； 如果（n外e - 4ne） <0，说明这个方位上存在有屏蔽过量现象，对外显示负电性，对电子具有排斥作用，对正电性的原子具有吸引作用； 如果（n外e - 4ne）=0，说明这个方位上没有正电性强度，没有吸引电子的能力，如果这个方位上是单电子轨道，它的“微场”仍然具有捕获外来电子而形成电子轨道的作用，如果这个方位上是双电子轨道，则不能捕获外来电子，所以也就不能再形成电子轨道的能力，在化学性质表现为惰性，稀有气体都具有这样的特点。 例9、稀有气体原子的结构 在化学元素周期表中，最后一列是稀有气体元素，它们的原子就是它们的分子，属于单原子分子，这些分子只有一个原子组成，该族有：氦、氖、氩、氪、氙、氡六个元素，它们的原子结构如图（2—4）所示。
在稀有气体元素中，氦原子核内只有两个质子，在原子核外能够形成一个“双电子轨道”，有一个平面，在这个平面的上方，有三个方位的“空电子轨道”（点线部分），正电性的强度是两个单位，同时，“双电子轨道”中有两个电子，对外有两个单位的负电性的强度，因此，它没有吸引外来电子的能力，但是，在液体状态下，两个单位的正电性强度之间的排斥作用大于它受到的重力，因此，这样的液体在正电性的排斥作用下，能够沿容器壁上升，形成“超流”现象。 在稀有气体元素中，中间4位都具有4轨道“定轴交叉”的结构，各个方位上的电场是零强度，因此，没有吸引外来电子的能力，一般状况下不参与化学反应，在特殊的条件下，“双电子轨道”中的一个电子被氧原子或者是卤素原子夺去，能够形成稀有气体化合物，最后一个元素是氡，它的原子结构与前4个相同，但是由于“重核难屏蔽” 因素的存在，它在“双电子轨道”方位上，仍然具有一定的正电性强度，这是它能够造成伤害的原因。
十、重核难屏蔽作用 在化学元素中，随着元素的核电荷的增大，电子轨道对原子核电力线的屏蔽越来越困难，这个特点称为“重核难屏蔽原理”，这是原子结构第五个基本特征。这个特征主要体现在重金属原子对蛋白质的破坏作用，我们将在后文的相关部分予以讨论。
十一、轨道平面夹角平均分配原理； 在原子结构中，原子外层各个电子轨道平面之间的夹角，是按外层电子数而平均分配的，基本计算公式是： α = 1800m / 2n （10） 式中，n为外层电子数，m为相邻两个轨道中的电子数， α 表示角度。
例10、氮、氧、氯原子电子轨道平面之间夹角的计算 氮原子：α单双 = 1800m / 2n = 1800 ×3 / 10 = 540 α单单 = 1800m / 2n = 1800 × 2 / 10 = 360 氧原子：α单双 = 1800m / 2n = 1800 ×3 / 12 = 450 氯原子：α双双 = 1800m / 2n = 1800 ×4 / 14 = 51.40 α双单 = 1800m / 2n = 1800 ×3 / 14 = 38.60 在原子结构中，电子轨道平面之间的夹角是有必要搞清楚的，这在研究化学反应以及合成新的化合物，具有非常重要的作用。
十二、碱金属的原子结构 在化学元素周期表中，处于第一列的元素有氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫，处第一个元素氢之外，其它的元素被称为是碱金属，它们的最外层只有一个电子，它们的原子结构如图（2—5）所示。
例11、锂原子的原子序数是3，元素符号是Li，平均原子量是6.941，原子核内含三个质子，原子核外能够吸引三个电子绕核，电子分两层排布，第一层上有两个电子，是一个“双电子轨道”，占00方位，第三个电子在它的垂直平面上形成一个单电子轨道，占900方位，当锂与氧化合时，能够构成类似水分子的结构，不同的是在锂和氧形成分子轨道的垂直方位上，有一个锂原子的原子轨道，有一定强度的负电性，原子结构如图（b）所示。 例12、 钠的原子结构 钠原子的原子序数是11，元素符号是Na，平均原子量是22.，原子核内含11个质子，原子核外能够吸引11个电子绕核，电子分三层排布，第一层上有一个“双电子轨道”，占两个电子，第二层有8个电子，能够形成4个“双电子轨道”的定轴交叉，占8个电子，剩下一个电子在第二层电子轨道的轨道交叉轴上，形成一个单电子轨道。 在钠原子结构中，它的外层存在三个方位的空电子轨道，对外显示1个单位的正电性的，能够吸引外来电子，虽然在钠原子的单电子轨道方位上，计算出来是“屏蔽过量”，但是，这个电子由于没有受到“微场”的束缚，在外来原子正电性的吸引下，就会改变原来的圆周轨道，这是单电子轨道共同具有的特点。 例13、钾、铷、铯、钫这4个元素的原子，都是每周期的第一个元素的，原子结构相同，如图（c）所示最外层存在一个“单电子轨道”，极容易在外加电场的作用下改变原来的圆周轨道，此外，随着原子半径的最大，“微场”强度减弱，它们形成分子以后，分子轨道中的电子极容易从分子轨道中被打出而出现“光电效应”。
十三、碱土金属的原子结构 在化学元素周期表中，处于第二列的元素有铍、镁、钙、锶、钡、镭，它们是每个周期中的第二个元素，原子最外层只有两个电子，它们的原子结构如图（2—6）所示。
例14、铍原子的原子序数是4，元素符号是Be，平均原子量是，原子核内含4个质子，原子核外能够吸引4个电子绕核，电子分两层排布，第一层上有一个“双电子轨道”，占00方位，第二层有一个“双电子轨道”，有两个方位上的空电子轨道，对外显示4个单位的正电性的强度，在激发的条件下，能够形成两个单电子轨道。 例15、镁、钙、锶、钡、镭的原子结构最外层都有一个“双电子轨道”，激发的条件下形成两个单电子轨道，存在两个方位的空电子轨道，空电子轨道方位上对外显示2个单位的正电性的强度，轨道结构如图（e）所示。 十四、硼族元素的原子结构 在化学元素周期表中，处于第三列主族元素有硼、铝、镓、铟、铊，它们原子的最外层有3个电子，能够形成一个双电子轨道和一个单电子轨道如图（2—7a、b、c、d）所示。激发的条件下，形成三个单电子轨道，它们的原子结构如图（e）所示。
十五、碳族元素的原子结构 在化学元素周期表中，处于第四列主族元素有碳、硅、锗、锡、铅，它们原子的最外层有4个电子，能够形成两个“双电子轨道”，激发的条件下，形成4个单电子轨道，轨道平面垂直交叉，原子结构如图（2—8a、b、c、d）所示。
例16、碳原子结构 碳原子的原子序数是6，元素符号是C，平均原子量是12.0107，原子核内含六个质子，原子核外能够吸引六个电子绕核，电子分两层排布，第一层上有一个双电子轨道，占900方位，第二层有一个“双电子轨道”和两个“单电子轨道”，在单电子轨道方位上，存在2个单位的正电性的强度，化学反应速度很快，激发的条件下，可以转变为1个单电子轨道，在单电子轨道方位上。正电性的强度是： EC单 = （n外e - 4ne）/ r2 =（4e - 4e）/ r2 = 0e/ r2 （11） 通过计算，它们单电子轨道方位上，电场强度是0个单位，它没有吸引外来电子的正电性的强度，只能够捕获外来电子而形成分子轨道，因此，化学反应的速度十分的缓慢，这是4价元素的共同特征。 碳原子在形成的分子结构中，如果存在有原子轨道，那么，在原子的双电子轨道方位上，其电场强度是： EC双 = （n外e - 4ne）/ r2 =（4e - 8e）/ r2 = -4e/ r2 （12） 有4个单位的屏蔽过量，负电性的强度很强这是一氧化碳分子容易与血红蛋白结合（吸附）的重要原因。
下文，我们将讨论“微场模式”中的化学键类型，敬请参阅，谢谢！
原文完成于二00四年六月 修改于二00八年三月
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