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韩行高:对现行核理论的质子--中子组成的质疑

2019-09-27  物理网文

对现行核理论的质子——中子组成的质疑 

——统一电磁力场物质结构新理论(2) 



现代物理学的深入已经遭遇到越来越严重的困难。我们在习惯于义无反顾、勇 

往直前地追逐新潮的同时,是否还更需要不断回过头来重新审视和检查一下过去已经定论了的理论基础中有没有错误的起点呢? 

上个世纪初卢瑟福首创α散射发现了原子核,又开创了人工核反应进而确认反应生成物中的氢原子核并命名为质子(Proton),到30年代中子的发现,建立了原子核的质子——中子组成模型。这是一个由原始质子(氢原子核)和中子两种粒子(统称为核子)的混装结构。以此为基础,上世纪50年代又发展成原子核的壳层模型,接着又提出了质子和中子内部组成的夸克模型直至标准模型。原子核的质子——中子组成模型实际上已经成为现代原子核物理和粒子物理的原始基础。但是,经过长达70多年的时间的检验,这个模型的合理性不断受到质疑和挑战。 

1. 质子组分同原始质子(氢原子核)的结构、运动和力场能是完全一样的吗? 

原始质子就是氢原子核。现行核理论的同中子混装的质子组分意味着在有多个质子组分的任意原子核中包含着多个氢原子核,即大原子核中包含着小原子核。如果这种结构成立的话,这个任意原子核也应当表现有氢原子核的性质——在同氢原子核结构和性质密切相关的原子光谱和X射线中就应当有氢原子的谱线。但是,根据目前已经研究得相当广泛深入的光谱分析结果,在多质子的任意原子的光谱中并没有同氢原子完全对应的谱线,说明这种质子组分并不具有原始质子(氢原子核)的特征。 

不仅如此,现代电子散射实验研究结果还表明,从最小的、仅具有1个原始质子的氢原子核到最大的、具有82个所谓质子(和124个中子)的稳定的铅原子核,它们的电荷都是趋于核表面的,它们的电荷半径均是在(0.8-6)×10-13厘米之间。这一结果同由多个质子——中子组分混装结构应有的电荷均匀分布严重不符。 

质子组分同原始质子(氢原子核)的谱线特征、电荷分布特征严重不符的事实,说明两者的结构、运动和力场是不同的,两者根本就不是一回事。现行核理论的质子组分是很难成立的,这是一个本质性的问题,将严重挑战整个物质结构研究的理论及其实验基础。 



2. 用于解释克服质子间同性排斥的交换力的物理机制成立吗? 

原子核的质子——中子组成模型中,质子(氢原子核)带有1个正电荷,同中子一起混装后多个质子之间必然存在同性正电荷的排斥力,如何解释这种同性排斥力作用下能够保持稳定而不解体的物理机制呢?虽然海森堡给出的一个解释,假设了核子间有一种交换力通过在质子和中子间不断交换电荷,以致把排斥力“交换”掉了。但既然在原子核中质子和中子通过交换力来克服排斥力来保持原子核的稳定,说明质子和中子应当是相依为命、生死与共才是。但是,大多天然放射性并没有放出质子,而发现中子的多个人工核反应实验直接打出的仅仅是中子而并没有质子。这一情况非常重要。因为,如果原子核中果真是质子和中子混装,而且在质子和中子之间果真存在所谓电荷交换力抵消了质子同性电荷之间的排斥力维系着两者之间的联系,那么,如此相依为命的质子和中子应当一道辐射出来才是,但这同实验事实不符。而且,一些核反应生成的自由质子具有相当高的稳定性和长寿命,而一些核反应打出的自由中子只有10几个分钟的寿命。很难设想,质子和中子这两种稳定性和寿命有很大差异的粒子通过所谓“交换力”就能够一起束缚在原子核中并同时保持稳定。 

至于海森堡杜撰的这种所谓“交换力”属于何种力?其交换电荷的物理机制是什么?如此关键重要的问题70多年来至今也没有说清楚,即便是在现代的实验条件下也没有得到必要的实验验证。 

这也是原子核的质子——中子组成模型不可逾越的最大困难。 



3. 质子(氢原子核)和中子相互转换关系的两个反应式都能成立吗? 

质子同中子之间相互转变有两个反应式: 

一个是费米30年代提出的β衰变理论的自由中子衰变式:中子→质子 + 电子 +反中微子。但这个反应式长期以来并没有得到实验证实,只是到了近70年后才由美国科学家通过实验得到一个接近的结果:在中子衰变的产物中除了质子和电子外,还包括有光子。这说明实际的反应要复杂得多。

另一个质子同中子间转换的反应式是:质子+反中微子→中子 + 正电子。 

这是根据小居里夫妇30年代的人工放射性实验中存在着的质子衰变成正电子和中子的事实得到的,50年代以来美国科学家严格检验了这个衰变式的粒子及其反应截面而得到证实。该实验也是证实中微子存在的唯一的最有说服力的实验(而不是费米衰变式)从而获得诺奖。 

这两个反应式中所有粒子数均为1。比较这两个反应式,根据质量和电荷守恒的观点(至少目前还没有否定这些守恒规律),这两个式子的质量关系显然是相互矛盾的:如果忽略不计中微子的质量,在中子衰变式中质子质量小于中子质量,而在质子衰变式中,质子大于中子。这两种情况很显然不可能都是正确的。而经过实验严格验证的后一个反应式似乎更符合事实,这将导致质子质量大于中子质量,多出1个电子质量的结果,而不是现行核理论的中子质量大于质子质量3-4个电子质量。 



4. 中子质量大于质子质量的实验结果是可靠的吗! 

在发现中子之前,已经对电子和质子的电荷进行了相当精确的测定,进而利用磁场对电荷的作用原理通过对荷质比e/m的测量对质子的质量进行了相当精确测定。而中子不带有电荷,查德威克当年发现中子时是根据动量转换原理测出的中子质量,得到了中子质量大于质子质量的结果。这两种不同方法的精度是不相同的,后者的精度不能同前者相比较,很可能不在一个数量级,相互比较的意义就有限。也就不能准确分辨出两者相差几个电子质量。因此,通过对使用不同方法具有不同精度的结果比较所得到的中子质量大于质子(氢原子核)质量的结果并不可靠,很难分辨出两者之间相差1个电子质量的精度。实际情况很可能是:质子及其它原子核的质量值是相对较准确的,而现中子质量很可能是偏高的,并由此导致所有原子核中的质子和中子质量总和要大于实测的原子核质量。这一结果,现代物理是用相对论的质能转换关系解释的。如果被推翻,对现行原子核理论的质能关系以及相对论将是颠覆性的,也预示着费米理论的中子衰变式应当有着与中子内部复杂结构相关的粒子数的新的守恒。质子和中子质量大小问题也原子核的质子——中子组成的又一大难题,也是任何核理论模型必须解释清楚的问题。

5.从原子核中放出来的正电子为什么不可以是原子核的组分呢? 

天然和人工放射性以及一些人工核反应是窥测原子核内组成的最直观的窗口。天然放射性包括放出α粒子、电子、正电子、中子和γ射线等,而人工放射性的核反应产物有正电子、中子和质子等。但质子——中子组成模型只接受中子和仅在人工放射性产物存在的质子为其结构的组分,而不接受其它来自原子核内部的粒子组分?同样都是原子核内放出的粒子,为什么有的被当作是原子核的组分,而有的却不是?特别是,拒不接受在天然和人工放射性都存在的正电子为其组分。而且质子为什么一定铁定为原子核组分?作为氢原子核的质子为什么不可以同α粒子一样都是脱离核后二次合成的产物呢?对这些问题,是否有统一严格的理论解释和可靠的实验支持呢? 

物理学的一些问题确实让人很难理解,典型的例子是:正电子明明是原子核中放出来的,但却拒绝承认是原子核的组分;而与此鲜明对照的是,明明从来没有见过有什么夸克的实物粒子从原子核中分离出来,但却焉信夸克是核内的粒子组分?! 



6. 同电子对偶的应当是质子(氢原子核)还是正电子呢? 

现代物理在理论上将质子带有的单位正电荷同核外电子所带负电荷相互抵消使得原子保持严格的电中性,这种电荷中和效应甚至有着影响物质演变的宇宙学意义。随着实验技术的发展和精度的提高,越来越表明;质子(氢原子核)电荷、正电子电荷和电子电荷(绝对值)在相当高的实验精度下相当一致。由于质子质量是电子质量的1836倍以上,尽管电荷量值相等极性相反,质子(氢原子核)同电子是不属于对偶粒子的,而只有作为反物质存在的正电子应当才能同电子严格对偶。问题是,质子(氢原子核)为什么能具有同正电子完全相同的电荷特征?最简单合理的解释就是质子(氢原子核)中包含有正电子的组分,使得整个质子的电荷与正电子相同。 

这种情况,同80年前狄拉克建立相对论性电子方程所得到的负能解的情况惊人相似:最初狄拉克将对应用于负能量状态下的粒子解释是已经发现了的带有单位正电荷的质子,但由于同电子的质量有巨大差异被放弃,最终做出了存在着电子的反粒子——正电子的伟大科学预言,并很快为实验证实。狄拉克方程所确立的同负能解相对应的正电子,是不是就应当存在于原子核的内部呢? 



7. 原子核内粒子是不是应当具有同能级结构相关的运动空间和轨道呢? 

众所周知,能量是物质运动的量度。核能的存在又是无可争议的事实,而且核能只能是核内粒子组分运动所具有的能量,包括动能和势能,必然要有相应的运动形式和运动空间。根据核内存在相当大的能量并具有特定的分立能级的事实推断,核内粒子绝不应当是像质子——中子结构模型那样是粒子全部挤在一起的混装排列,而应当具有一定的空间使得核内粒子的高速围绕力场中心的轨道运动,只有这样才有量子特征的能级和可能有多余的势能和动能在适当的条件下的释放。质子——中子组分混装不能对核能本质给出合理自洽的说明,力场和能量关系仍然是模糊的。这是质子——中子组成的一大困难,也是核聚变能源至今没有走出困境的主要原因。 


8. 用原始质子(氢原子核)代替质子组分的实验检测能是合理和可靠的吗? 

质子——中子结构模型将原始质子(氢原子核)当作任意原子核的组分,但对任意原子核中的质子组分和中子组分的性能检测却从来都不是直接从任意原子核中取样。其中,质子是用连接在聚乙烯碳链上的氢原子的原子核,或直接使用液态氢、气态氢的原子核取样进行散射实验;而对于中子,又都毫无例外的从氘核中取样,所得到的散射结果扣除质子的贡献。这种仅仅作为氢原子核才有意义的原始质子同理论假设的同中子混装在所有原子核中的质子根本就不是一回事,其性能是不是完全相同并没有从理论和实验上得到证明的。而这样不加证明的取样检测到的质子和中子的性质不可能普遍适合所有原子核内的情况,实际上是不符合实验规则的。 

可见,原子核的质子——中子结构模型实际上也是缺少严谨的实验基础的。 

以上质疑,具体说明现行核理论的质子——中子组成模型的严重困难,同时预示着原子核应另有更为合理自洽的结构。 

在《对现行核理论的质子--中子组成的质疑》及其后续文章中提到原始质子的结构是中子同轨道正电子的复合粒子,将原始质子作为任意原子核的组分是错误的,以致于成为现代物理学错误的起点。 
在生命科学中,氢键在有机生命大分子中连接分子团,是无机物向有机物延伸的最重要的环节。但现代科学对氢键(又称“质子键”)的本质认识还差得很远,不仅不了解氢键的结构及其连接耦合作用力的性质,甚至连氢键有没有化合价及其应该是多少都不清楚。其根本原因,就在于对质子是中子和轨道正电子的复合结构一无所知。 
可见,质子概念不重新认识,不仅物理学无戏,生命科学也无戏! 
这是俺(韩行高先生)作为一介草民对世界科学界的忠告。

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