電子的電磁動(dòng)力學(xué)

孫欽飛

摘要：分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為溫度的升高會(huì)使分子的平均動(dòng)能增加，分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為熱運(yùn)動(dòng)，是物質(zhì)具有內(nèi)能能量多少的體現(xiàn)。本文認(rèn)為能量不會(huì)使分子或原子的動(dòng)能增加，而僅僅是使圍繞原子的電子的振幅增加，溫度不是分子平均動(dòng)能的反映，而是電子振動(dòng)輻射電磁波能量多少的反映。

關(guān)鍵詞：能量 溫度 輻射 電子 振動(dòng) 電磁波

引言：

    熱物理學(xué)是以分子運(yùn)動(dòng)論為基礎(chǔ)發(fā)展出的一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為：組成物體的分子在不停的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的，其劇烈程度與溫度有關(guān)，溫度越高，分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)就越劇烈。根據(jù)理想氣體的溫度公式T=2w/3k ，其中 w為分子的平均平動(dòng)動(dòng)能，k 為玻爾茲曼常數(shù)，T 為絕對溫度，可知：溫度是表征物質(zhì)內(nèi)部分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的物理量，是分子平均平動(dòng)動(dòng)能的度量。

    量子理論形成是由研究熱輻射現(xiàn)象開始的，也是采用的分子的熱運(yùn)動(dòng)這樣的觀點(diǎn)，認(rèn)為任何一個(gè)物體，在任何高于絕對零度溫度下都要發(fā)射各種波長的電磁波。將物體向周圍輻射的能量稱為輻射能，輻射能的強(qiáng)度從微觀上來講取決于物體中分子、原子的熱運(yùn)動(dòng)，從宏觀上將取決于物體的溫度。雖然分子運(yùn)動(dòng)論的假設(shè)在研究理想氣體熱現(xiàn)象方面取得了巨大的成功，但是在研究黑體輻射時(shí)遭遇了失敗，普朗克在研究黑體輻射時(shí)提出了一個(gè)量子假說：輻射黑體由帶電的諧振子所組成（把黑體中振動(dòng)著的分子、原子視為諧振子），這些諧振子和周圍的電磁場交換能量，輻射電磁波，諧振子的能量是量子化的。1913年玻爾以盧瑟福原子模型為基礎(chǔ)，以普朗克，愛因斯坦量子理論為出發(fā)點(diǎn)，建立了玻爾氫原子結(jié)構(gòu)的半經(jīng)典量子理論。理論基于定態(tài)假設(shè)、躍遷假設(shè)和量子化條件假設(shè)三個(gè)假設(shè)。定態(tài)假設(shè)：原子只處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，稱為定態(tài)，原子處于定態(tài)時(shí)，電子雖做加速運(yùn)動(dòng)，但是不輻射能量；躍遷假設(shè)：當(dāng)原子中的電子從一種能態(tài)躍遷時(shí)，原子發(fā)射或吸收一定頻率的單色光。

    雖然科學(xué)家們一直都認(rèn)為帶電粒子的振動(dòng)會(huì)釋放電磁波，雖然已經(jīng)明確電子在躍遷的時(shí)候會(huì)釋放或吸收電磁波。但是人們一直沒有提出電子在原子中的振動(dòng)是釋放電磁波的根本原因。

電子振動(dòng)與熱物理學(xué)：

能量的本質(zhì)是什么？能量的本質(zhì)就是電磁波，每一種溫度高于絕對零度的物體都會(huì)向外輻射能量，也就是輻射電磁波。物體的溫度越高，表明這個(gè)物體或者輻射的電磁波的能量越大，或者輻射電磁波的強(qiáng)度越大。正如采用加熱的方法不會(huì)使一個(gè)靜止的鐵球獲得動(dòng)能一樣，采用加熱的方法也不會(huì)為單個(gè)的鐵原子提供動(dòng)能。所以，分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為加熱會(huì)使分子運(yùn)動(dòng)的更快的假設(shè)是錯(cuò)誤的。溫度不應(yīng)該是分子運(yùn)動(dòng)快慢的度量，而只能是物體輻射能量（電磁波）多少的度量。

電子的振動(dòng)：

電子在處于定態(tài)時(shí)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)是不會(huì)吸收和釋放電磁波的，只有在電子向其他定態(tài)躍遷時(shí)才會(huì)吸收或釋放電磁波。在處于一個(gè)溫度高于絕對零度的系統(tǒng)中的時(shí)候，電子是始終處于這種躍遷狀態(tài)，始終在吸收和輻射電磁波，也就是說，電子處于振動(dòng)狀態(tài)，這種振動(dòng)的過程伴隨的能量的釋放。如果單個(gè)原子沒有接收到電磁波，那么在它釋放完單個(gè)電磁波之后，電子在定態(tài)位置不再振動(dòng)，也就不再釋放電磁波。

所有的熱輻射都是電磁波，從無線電波到伽馬射線。既然是電磁波，就一定與電磁現(xiàn)象有關(guān)。所以說中性的原子無論如何振動(dòng)都不會(huì)釋放電磁波，當(dāng)然電磁波也就不會(huì)使中性的原子產(chǎn)生振動(dòng)，也就不會(huì)增加它的動(dòng)能。

原子核周圍有一個(gè)正電場，電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)形成電流，而電流的變化會(huì)形成磁場。由于變化的電場在其周圍空間激發(fā)磁場，變化的磁場在其周圍空間激發(fā)電場。這種變化的電場和磁場相互連續(xù)激發(fā)，在空間傳播，形成了電磁波。

假設(shè)電子從高能的非定態(tài)A點(diǎn)向某一定態(tài)軌道上的B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1：

圖1：電子釋放電磁波示意圖

A點(diǎn)與原子核距離為 ，B點(diǎn)與原子核的距離為 ，當(dāng)電子由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，勢能減少量為：

q為電子電量，Q為原子核電量，ε0為真空電容率。

減少的勢能以電磁波的形式釋放出去，根據(jù)電磁波能量公式 E=hv，E為電磁波能量，h為普朗克常量，v為電磁波頻率?？梢郧蟪鲞@一次躍遷釋放的單個(gè)的電磁波的波長。

相反的過程。如果電子由定態(tài)B向一高能非定態(tài)C運(yùn)動(dòng)，在此過程需要吸收電磁波，電磁波的能量推動(dòng)著電子向高能態(tài)運(yùn)動(dòng)。所需的單個(gè)電磁波的能量等于勢能的增加量為：

同樣根據(jù)E=hv可以求出所需入射電磁波的波長，由于電磁波在推動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)有一部分能量損失，所以電子勢能的增加要小于所吸收的單個(gè)電磁波的能量。

電子在圍繞原子核旋轉(zhuǎn)并振動(dòng)的過程中釋放電磁波，所有圍繞原子核振動(dòng)的電子都有能量釋放，如果不存在能量損失的差異，外層電子和內(nèi)層電子在吸收相同能量的電磁波之后會(huì)釋放出相同能量的電磁波。但是外層電子振動(dòng)的振幅要大于內(nèi)層電子振動(dòng)的振幅。

假設(shè)外層電子的圍繞半徑為R，內(nèi)層電子的圍繞半徑為r，R>r，如果它們向著原子核運(yùn)動(dòng)相同的距離s，則外層電子釋放的能量為：

內(nèi)層電子釋放的能量為：

可見，在墜落相同的距離的情況下，內(nèi)層電子釋放的電磁波的能量更大。如果吸收的電磁波的能量相同，內(nèi)層電子的振幅要小于外層電子的振幅。

熱現(xiàn)象

物體如果吸收的能量增加，也就是吸收更多的電磁波或者吸收的電磁波的波長更小，而使能量增加，將會(huì)或者使原子中的更多的電子振動(dòng)，或者電子的振幅增加，因此增加了電子運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，也就相應(yīng)的增加了原子的有效范圍，從而使物體發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象。對于氣體來說，通過加熱，可以使部分氣體原子的電子振幅增加，從而增加了原子的勢力范圍，相當(dāng)于減少了原子的密度，而使氣體內(nèi)部產(chǎn)生對流，浮力的作用使部分分子獲得了向上升的動(dòng)能。氣體擴(kuò)散是由于不同物質(zhì)之間存在的微弱的壓力差引起的，而這種壓力差由于原子吸收了更多的能量，在擴(kuò)大原子勢力范圍后有了一定程度的增加，會(huì)引起擴(kuò)散的加速。陽光在太空傳播的時(shí)候，不會(huì)產(chǎn)生熱，只有太空中的一個(gè)物體受到陽光的照射，吸收光線并使電子振動(dòng)，相應(yīng)的發(fā)射某種電磁波的時(shí)候，這個(gè)物體才會(huì)產(chǎn)生熱量。

既然溫度反映的是電子的振動(dòng)輻射的電磁波能量的多少，而不是分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的多少，所以，應(yīng)當(dāng)用一定數(shù)量的物質(zhì)分子（或原子）的平均輻射能來代替分子的平均移動(dòng)動(dòng)能。并不是拋棄T=2w/3k這個(gè)公式，因?yàn)檫@個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)證明是可行的，但是需要將分子的平均動(dòng)能替換成一定量的電磁輻射能，這種電磁輻射能的意義需要進(jìn)一步研究。

電子的共振

電子在圍繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電磁波，同時(shí)，電子的振動(dòng)是由吸收和釋放電磁波所致。電子之所以會(huì)躍遷，是因?yàn)樗闹車嬖陔姶挪ǎ姶挪ㄊ请娮诱駝?dòng)的動(dòng)力。而電子的振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生電磁波。電子的振動(dòng)如圖2所示：

某一原子中的電子，由于振動(dòng)而發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波到達(dá)另一個(gè)原子中的某一電子周圍時(shí)，會(huì)使這個(gè)電子產(chǎn)生振動(dòng)。也就是說兩個(gè)電子通過電磁波而實(shí)現(xiàn)了共振。電磁波是使兩個(gè)電子發(fā)生共振的媒介。電子在吸收電磁波振動(dòng)的過程中，由于有一部分的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能用來維持電子的振動(dòng)，所以電子振動(dòng)發(fā)射的電磁波能量要小于吸收的能量。表現(xiàn)為發(fā)射的電磁波的頻率小于吸收頻率。電子的共振如圖3所示：

熱傳導(dǎo)是電子共振的最好的例子，溫度高的物體釋放出更多能量的電磁波，電磁波到達(dá)輻射能量少的物體上，激發(fā)電子，使電子的振幅增大，或者使更多的電子振動(dòng)，從而釋放出更多的能量，溫度因此增加。

結(jié)論

熱輻射的實(shí)質(zhì)是電磁波的輻射，溫度是對物體輻射能力的度量，因此溫度反映不了分子的運(yùn)動(dòng)能力，而反映的是電子的振動(dòng)能力，物體輻射能量不是因?yàn)榉肿踊蛟拥恼駝?dòng)引起，而是圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的電子振動(dòng)產(chǎn)生的。熱傳導(dǎo)的實(shí)質(zhì)是原子中電子的共振。電子在原子中的振動(dòng)是釋放電磁波的根本原因。

參考文獻(xiàn)：

《大學(xué)物理教程》，任蘭亭主編，石油大學(xué)出版社

http://blog.sina.com.cn/s/blog_53ccaa970100d4og.html