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二十世纪物理学的迷惑与无奈(5)带电粒子组成的物质结构

已有 3990 次阅读 2013-12-31 16:36 |个人分类:杂谈|系统分类:观点评述| 物理学, 麦克斯韦, 电磁学, 原子核, 方程组

  从原子分子及以上的层次观察物质结构,电子和原子核就是最基本的组成单元。等电量的电子与原子核可以形成中性的稳定物质结构,形态可以是原子、分子,或由它们构成宏观物体,可以是气态、液态或固态。并且具有力学、热学、电磁学、振动、以及光学等方面的性能,原则上可以通过带电粒子相互作用的行为进行解释。


  经典物理以牛顿建立起来的力学定律、麦克斯韦电磁方程组等为基本,发展起来的近代物理学理论体系,包括力学、热学、电磁学、振动、以及光学等,在19世纪末,对已发现的宏观物体的物理学现象,基本上可以给出满意的解释,即使物理学晴朗天空中出现了“两朵疑云(乌云)”。自从经典物理理论建立以来至今,作为科学和工程技术的坚实基础,为自然科学体系的建立、人类文明进步作出了有目共睹的贡献。物理学及理论几次重大发现或进展,直接掀起人类文明进步的高潮。工业时代、电器时代、信息时代,这些人类文明进程的飞跃都是在物理学重大进展和突破的前提下实现的,经典物理理论在这些过程中起到了不可替代的决定性作用。


  按照经典物理理论来讲,宏观物体的物理性能由其结构决定,结构在不同尺度下分为不同的层次,对于固态物体包括,宏观块状(凝聚态)、晶相显微(金相组织)结构、纳米结构、晶体结构;以及最基本的组成物质的原子分子结构。一个具体的宏观物体的物理性能,就是该物体所具有的、丰富的、并且随环境条件可变的多结构层次复合体,表现出的复杂行为。但无论这些行为的表现多么复杂,最终都是可以通过,带电粒子体系及其中的粒子间的相互作用,进行合理解释的。


  原子是带电粒子组成的,保持其化学性质的最小物质结构单元,按照经典物理理论,原子中的带电粒子(原子核和电子)的运动应该服从理论力学和电磁学理论的要求,应该如同恒星系中星体,带电粒子作轨道运动。考虑到运动带电粒子的自发电磁辐射,这种辐射作为空间位移电流,它们之间的相互作用,自箍效应,以及与带电粒子的作用,是可以发生带电粒子辐射的耦合,形成稳定运动结构。这种由于辐射耦合形成的稳定电磁和力学结构,可以用于原子以及分子和物质基态的解释。例如,氢原子基态结构,在我已发表的论文和本网的博客中已经作了详细介绍。


  因此,在理解物质原子结构中的带电粒子的相互作用时,不能只考虑粒子的常规的力学和电磁学行为,同时应该考虑辐射及其相互作用,以及对运动带电粒子的作用,才能获得正确的答案。


  结构稳定的宏观物体,从本质上讲是由正负电荷等量的带电粒子构成的体系,从不同的尺度上考察,具有不同的性质。在外界周期性作用的影响,会引起不同结构层次的共振响应,可以产生机械波、无线电波、红外、可见光、紫外等。这是外界周期性作用与物体相应的层次结构的特征振动周期相近,产生的自激振荡。不同层次结构的本征(特征)频率取决于其力学性质,以及外界周期作用的影响,并且可以具有不连续频率分布,通过驻波的数学方法可以进行结构本征频率的求解,量子力学中的薜定谔方程只是其中有效的数学方法之一。


   对于处于非绝对零度环境下的物体,应该考虑外界的影响,热学方面的效应可以进行简化,并包括晶格或相应结构单元在周期性场中的振动,本征模态可以通过驻波方程(即薜定谔方程)进行求解,低能模态的解答可以用于物体低温情况下物体的一些特异性质,即目前的量子统计解释的现象(例如低温热容)的解释。另外,随着温度的上升,热效应相关的环境周期场的频率和强度会产生变化,并符合热力学的分布规律;同时物体的结构也会发生相应的变化,并且可以导致结构基态的飘移,这种飘移可以是连续,这就高温物体在黑体近似条件下可以产生连续光谱辐射的原因。


  就我个人的学术观点而言,目前关于宏观物质量子化效应,包括超导、隧道效应、低温比热,以及原子分子的线光谱等现象,都是可以通过经典物理相关理论,对物体不同层次结构共振效应的分析来理解的。




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