科学原创-我的物理发现（1-3）

                           晏成和

从我投稿第一篇创新物理文章算起，我独立探索物理已近40年，我不是学物理专业，但是以质朴的思路、独特的视角来揭示真实的物理。在科学网开博近10年、有文章200篇。现在准备马放南山，应朋友之邀，把博文整理成一本小书，暂名《旷视物理》160千字。有一位资深编辑愿意帮我审阅，老先生精力有限，难以全篇通审，要我自荐文章的亮点。于是写了《我的物理发现》（1-12）节，一万多字。既然写了，就以博文介绍给大家，现在就按（1-3）（4-8）（9-12）分三篇博客发表。

我的物理探索是从少年时的好奇和疑窦开始：从小看到火、疑问：火为什么是红色的？天为什么是蓝的？受到雷电的震撼、质疑雷电是哪里来的？科研是刨根问底找寻现象背后的机制，是诘问自然现象的内在原理，这些就是自我探索的出发点、做科研的初心。由于是自设命题、自我钻研，还是有一些原创性的发现。

发现一、原子之间的连接-价和运转

从核外电子2/8/8的分布、从惰性元素都是气体，证实了电子之间是永恒的相斥。那么，化学键的理论依据-电子偶合，不是自然事实，相斥的电子偶合成为化学键只是个主观、不实的臆想，化学键是一个传承百年的错误。那么，没有化学键，原子之间是如何连接的？我是从气体的特性思考原子的连接。

氧气为什么活泼、氮气为什么惰性？是我这个初中化学课代表几十年思索的问题。惰性气体之外的气体分子，一般是两（几）个原子紧密构成的整体，气体的存在是：原子相互吸引对方价电子、形成共有价电子呈球面包围环绕两原子实(除价电子之外的原子体)，方能与其它分子相斥、形成气体。图1.1，是氮气、氧气的核外电子分布示意图。共有价电子环绕两核心的运转促成两原子的结合、构成简单、普适的原子连接，把质子对电子的引力发挥到极致、也构成了两原子的结合力。

                图1.1  氮气、氧气的核外电子的分布图      

同一种原子结合成气体分子，是两原子实的靠近，所有的价电子共有、包围两个核心重新排布、形成新空间的价和运转。例如氮气，5+5=10个价电子围绕两个核心、遵循核外电子的排布规律2/8/18，重新安排。于是这10个价电子按2/8规则排布，（如图1.1左）形成了外层的8个价电子，这正是氖的价电子排布！于是氮气也就有了惰性气体氖的特性,或者说氮气是分子态的氖，惰性十足。

两个氧原子结合成氧气，6+6=12个价电子围绕两个核心，12个价电子只能排布成为2/8/2（如图1.1右），最外层只有2个电子，形成了活泼金属镁的排布（回忆镁燃烧、镁光灯），加上气体核外电子的空间大、运转速率高、可塑性大。于是氧气的活泼性愈发无与伦比，可以说氧气是分子态、气态的镁，其活泼性质登峰造极，氧化也就成为了自然界的最普遍的存在。

可见两原子的结合成分子是价电子包围运转的作为，没有电子云的重叠偶合、不存在什么化学键。用图示的分子价电子共享包围，解读了氧气活泼、氮气惰性的百年科学之谜；事实上的氧气活泼、氮气惰性，也证实了原子间的价电子共享包围运转的真实，是合理存在。

这种价电子共享运转简单、高效，自然会存在于固体、液体物质的联系之中。所以，两原子是由价和电子运转形成结构元，然后结构元连接构成万物。所有金属、非金属、化合物都是由价电子价和运转所连接形成，大自然的法则就是充分利用其存在和运动，构成其结构和特性、简单有效。

用价和运转还能够方便地解读金属的延展性、合金的形成，以及非金属材料的脆性。加上电子运转速率、线路随着温度的改变，就能够顺理成章地解读相变。

发现二、核外电子的速率随着温度的改变

 2.1火光光色与温度

小时候把一根铁丝插入燃烧着的炉火中，铁丝的一端被烧热、发亮，刚拿出炉的铁丝光色黄亮，随着温度逐渐降低，铁丝的发光逐渐由亮黄变橙、变红、暗红，最后火光熄灭尚有余热，这说明铁丝还在辐射红外光波。

火为什么是红的？这是亿万个小孩提出过的问题，被认为是幼稚，却不知其中蕴藏着科研线索、自然的奥秘。温度变化、光波频率亦随之改变，内因是什么？

小时候的玩火，发现（火）光与热是相依相存的。可是进入到本科的物理学习，热学、光学分别是两大分支，各自独立建立两门学科，各研究各的、门阀森严。然而大自然总是把热和光紧密相连，提醒人们用光来研讨热。自然在篝火、蜡烛、在煤油灯的光亮中，在热发光中提示着热学的内在奥秘，可惜人们熟视无睹。

火光频率随温度渐变的是大自然的提示、是探讨物质内在机制的重要线索，大自然在明亮的火光中、在光频与温度的对应中、展示自身的特点和规律。

人们已经知道，光是电磁波，物质的热发光是电子跃迁所发出的电磁波辐射、火光是由绕核运转着的价电子跃迁所发出，不同（频率）颜色的光是由不同速率电子跃迁的结果。物质燃烧发出的光波频率高，实际上是电子跃迁时的速率高。电磁波的频率从微波、红外波、到可见光-赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫……由低到高。将以上几项物理现象联系起来，加以归纳，我们就可以得到下表：   

 从列表(第一行中间，从右到左)我们看到，高温的铁丝光色黄亮，随着温度的逐渐降低，铁丝的发光逐渐由亮黄变橙、变红、变暗、熄灭，其光波的频率也由高逐渐到低。颜色的逐渐变化与电磁波的频率的变化完全对应！物质的温度与其发光频率有着准确的正比关系，这绝不是巧合、是大自然的精心安排，由此揭示热与光、热与电子的规律运动之间的内在奥秘。 

物质的温度与其发光频率有准确的正比关系，是我独立的发现。后来在文献中看到：两百年前德国的研究者已经注意到温度与光色波长的紧密联系，并且在灯丝发光的波长与温度之间建立了严格数学关系式（维恩公式），确认：物质的温度高-热发光的波长变短。可惜，早年探索者没有进一步研讨，火光来自哪里，火光的颜色、频率为何随温度变化？火光颜色与核外电子的运转、跃迁的关系？ 

2.2 温度-核外电子运转的速度

 热发光事实说明：电子的运转速率是在紧随温度而变化。温度由高到低——电子速率由快到慢。于是，才有我们眼里的这由橙到红，由红变暗；反之，当温度升高，核外电子的速率加快，大自然的温度场与核外电子的运动紧密相关。

物质热发光的颜色与温度之间有如此准确的正比关系，是大自然在启示我们：物质的核外电子的运转速率准确地随着温度变化，导致跃迁时所辐射出的电磁波频率亦随温度变化，于是才有发光颜色与温度之间存在着这种紧密的联系。核外电子的运转速率随着温度有规律地变化是一个极为重要的物理呈现，可惜，近代物理人忽略了这个重要细节，奥秘存在于细节之中。

除铁丝等金属外，玻璃、石头等非金属、化合物、混合物也同样都能被烧红发光，都具有上述实验特征，说明所有物质的核外电子都具备相同的运动规律：高温加速、降温减速。这是物质电子运转的普遍属性。 

发现三、相变原理

由于有了以上两个发现：一、原子之间的连接-价和运转形成结构元；二、核外电子的速率随着温度的改变。即：知道了物体构成、原子的连接是价和电子的规律运转；知道了价和电子速率、线路随着温度的改变。我们就可以依据这两个特点来探讨科学之谜-物质的相变。

3.1 温度改变-核外电子运动的改变-相变发生

温度升高达到了一定 的程度，水能沸腾、钢铁能够熔化。温度导致了相变、温度改变核外电子运动速率。那么就是：相变-温度-电子速率。相变与核外电子速率直接相关，即：改变价电子的运转、就能导致物质的相变！这个逻辑成立。

核外电子运转速率与温度息息相关，是一个从量变到质变的过程。温度升高，蜡烛、沥青会变软；钢铁烧红了也容易煅打。温度低 时物体的硬度大、塑性小，温度升高能使物体的塑性增加。前面所讲，温度升高，核外电子速率加快，速率加快了，如何能使得物体的内聚力减小、塑性增加？我们的相变探索面临着温度与内聚力同步变化的探讨。

3.2 固体内聚力的坍塌-熔化

固体的存在，是原子之间相互吸引价电子之后、形成结构元之间稳固的结合，有稳定的内聚力。相变成为液态，结构元之间失去了业已存在的、稳定的结构力、内聚力。结构元之间内聚力的变化、解体是相变的关键。

说到结构力，我们学过，力有三要素：大小、方向、作用点。在物质的内部构成物质的内力同样存在这三要素，而且这三要素在构成物质的相态上起着至关重要的作用。

一般来说价和电子速率高、价合力和电磁力会加大，那么温度高-速率高、物体内聚力加大，物体结构稳固，为什么内聚力大了反而会出物体熔化？别忘了力有三个要素！还有两个关键要素是力的方向、作用点。方向不对正、作用点不专一，这个力就会大打折扣，甚至是荡然无存。

物质温度升高、平面运转的价和电子速率加快、达到了极限，价电子的运转跃出平面，在一个带状椭圆（黄色）空间内扭曲运转，如图3.2右。导致与旋转电子的垂直方向产生的电磁力发生方向的扭曲和晃动，于是，结构元之间电磁力的方向就晃动不能正对，图右，物质内结构元聚之间合力的方向不稳，图示上方红色区域，遇较大外力时，结构元之间容易移动换位。宏观的表现是物体内聚力变小，塑性增加，趁热打铁就是这个时机。

      图3.2左金属固体及电磁力，右电磁力晃动

3.3  熔化

熔化是物质由固态相变成液态的过程，也是固体的内力丧失的过程。这时，价和电子扭曲范围更大。与旋转电子的垂直的电磁力方向的晃动厉害，结构元之间力的三要素中的两要素：力的方向散乱，力的作用点的散漫，使物体内力紊乱。同理，相邻结构元的电磁力的方向也紊乱，使得结构元之间的引力不稳，在外力的作用下容易换位移动，固体结构坍塌，宏观的表现是形成了物质的熔化。

当温度达到熔点，价和电子的速率更高、运转的扭转的区域更大，使得伴生的电磁力的方向大幅摇晃、作用点更加紊乱，结构元之间失去了定向电磁力支持，如 图3.3（2）同时又受到侧向电子间斥力的干扰。于是，结构元在物质内换位、滚动、转向、重组。原来的金属物体内稳定的内力完全瓦解，刚性彻底消失——物体熔化了，相变成了液体。图3.3（3） 图中，外椭圆表示结构元橄榄状球体，黄色阴影表示价和电子在空间扭转运动的区域。

　  （1）固体     （2）塑性增加    （3）液体      （4）气体

              图3.3 价和电子运动的线路与物质的相态    

图形与下面文字对照：

（1）价和电子在平面稳定运转，伴生的电磁力指向稳定，物质呈固态。

（2）价和电子在窄小黄色带状空间范围内扭曲运转，伴生的电磁力方向不稳，物体塑性增加。

（3）价和电子在大范围鼓状空间扭曲运转，所伴生的电磁力方向晃动、混乱，黄色部分对外相斥，结构元失去固定位置滚动流窜，物质呈液态。

（4）价和电子在空间球状扭曲运转，伴生的电磁力方向完全混乱，包围在球面的电子与相邻球状结构元电子相斥，结构元之间斥力推开距离，物质呈气态。

非金属物质的相变原理与此相同，也是由于温度变化、价和电子运动的改变。固体物质的结构来源于价和电子稳定运动所形成稳定的力，温度变化-价和电子运转发生变化，伴生的结构力发生变化-物质发生了相变。

由此可见，物质的结构和相变，与物理的力学、热学是相辅相成的，过程和逻辑是清晰的。只要注重核外电子在热环境中的规律运动，相变就丝毫不神秘，相变是有理、有序的自然规律。