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原子帶有兩種等量異號(hào)電荷的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支持
摘要：原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位，在科學(xué)的不斷發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)原子有著越來(lái)越深刻的理解和認(rèn)識(shí)。原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，兩者達(dá)到能量平衡是學(xué)界的一個(gè)基本常識(shí)，然而原子是否帶有兩種等量異號(hào)電荷呢？本文就此論點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中如何可以證明及其實(shí)踐意義做出探討和研究。
關(guān)鍵詞：原子 等量異號(hào)電荷 靜電場(chǎng)
眾所周知，原子是化學(xué)變化中的最小微粒，并且在化學(xué)反應(yīng)中不可分割。原子由質(zhì)子、電子、中子組成。原子的質(zhì)量非常小，并且其質(zhì)量幾乎全部集中在原子核部分。原子核外是電子，電子分布于穩(wěn)定的軌道之中。原子在古希臘時(shí)期被用于哲學(xué)本體意義上的抽象概念，在后來(lái)人們認(rèn)識(shí)的不斷發(fā)展過(guò)程中，逐步演變成為科學(xué)的理論。然而，原子是否帶有兩種等量異號(hào)電荷，這個(gè)問(wèn)題需要我們加以研究和探討。
一、原子帶有兩種等量異號(hào)電荷理論的歷史衍變
人類并不是生來(lái)便了解物質(zhì)是由分子和原子構(gòu)成的，他們對(duì)原子和電子的認(rèn)識(shí)是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，而認(rèn)識(shí)到原子帶有兩種等量異號(hào)電荷的理論也是由無(wú)數(shù)科學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期、艱辛的實(shí)驗(yàn)才得出結(jié)論。
早在公元前400年，古希臘的德謨克利特就提出了原子這一概念。隨著時(shí)間的不斷推移，科學(xué)家對(duì)原子的理解有了更深層次的發(fā)展。1803年，英國(guó)自然學(xué)家道爾頓首次提出了原子說(shuō)，他用原子的概念解釋了為什么不同元素總是呈現(xiàn)出整數(shù)倍的反應(yīng)，同時(shí)也解釋了不同氣體在水中不同溶解度的原因，從而指出每一種元素只包含唯一一種原子，而化合物正是由原子組成。從而揭開(kāi)了正是研究原子的序幕。之后很長(zhǎng)一段時(shí)間人們都認(rèn)為原子便是物質(zhì)的唯一構(gòu)成單位，而原子也是一種非常微小的實(shí)心玻璃球體，此外再無(wú)他物。
1827年，英國(guó)植物學(xué)家布朗在觀察水面上的灰塵時(shí)，發(fā)現(xiàn)了灰塵在進(jìn)行著不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，這就證明了微粒學(xué)說(shuō)，這種現(xiàn)象被稱為布朗運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)，為進(jìn)一步證實(shí)原子可以再分奠定了基礎(chǔ)。
1897年湯姆生在研究陰極射線的工作中，發(fā)現(xiàn)了電子，并且并測(cè)量出電子的荷質(zhì)比。e/m=1.7588×108 庫(kù)侖/克。從而粉碎了原子不可再分的說(shuō)法。湯姆生認(rèn)為電子是平均地，有序地分布在原子上，而原子帶的正電荷與電子帶的負(fù)電荷相互抵消，這湯姆生的構(gòu)想模型被我們稱之為葡萄干布丁模型，也可以稱之為棗糕式原子模型。葡萄干模型的提出、電子的發(fā)現(xiàn)，從根本意義上糾正了原子不可再分的實(shí)心球模型，開(kāi)創(chuàng)了原子研究的新篇章。
在湯姆生之后，關(guān)于原子的研究不斷取得發(fā)展。英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福指出原子有核，且大部分原子質(zhì)量和正電荷都存在于原子核中，電子是圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的；英國(guó)物理學(xué)家莫塞來(lái)建立了原子序數(shù)的概念；湯姆生發(fā)現(xiàn)了同位素；拉塞福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，進(jìn)一步證明原子核可分；不久英國(guó)物理學(xué)家扎的維克發(fā)現(xiàn)了中子；波爾在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上和普朗克及愛(ài)因斯坦的量子理論聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)建了電子分布的波爾模型。
科學(xué)家們通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)研究，一步步證明了原子可分，原子由質(zhì)子、中子、電子組成，原子核帶有正電，核外電子帶負(fù)電，整個(gè)院子被認(rèn)為是一個(gè)不帶有電荷的粒子等理論。此外在之后的研究中還發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)決定元素的種類，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)決定元素的原子量，最外層電子數(shù)目決定元素的化學(xué)性質(zhì)，核外電子層排布規(guī)律等特點(diǎn)。但是總的來(lái)說(shuō)，科學(xué)家在研究原子的過(guò)程中，最顯著的成就就是證明了原子是一個(gè)帶有兩種等量異號(hào)電荷的粒子。
二、原子帶有兩種等量異號(hào)電荷的實(shí)驗(yàn)支持
我們知道，原子主要是由位于原子中心的原子核和核外的電子構(gòu)成，原子核帶有正電荷，核外電子帶有負(fù)電荷，原子核所帶的正電荷數(shù)量與核外電子所帶的負(fù)電荷數(shù)量相等，整個(gè)原子對(duì)外呈現(xiàn)電中性，由此，原子被認(rèn)為是一個(gè)不帶有電荷的粒子。根據(jù)以上理論，可以理解其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
原子核所帶的x個(gè)正電荷＋核外電子所帶的x個(gè)負(fù)電荷＝原子帶有O個(gè)電荷�！ �
針對(duì)上面的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可能有人會(huì)問(wèn)，既然原子既有帶正電的原子核，又有帶負(fù)電的核外電子，且兩者并存，那原子的表達(dá)式是否應(yīng)該是：
原子核所帶的x個(gè)正電荷＋核外電子所帶的x個(gè)負(fù)電荷＝原子帶有２x個(gè)電荷。
對(duì)比上述兩種表達(dá)式，請(qǐng)問(wèn)讀者覺(jué)得哪一種更符合邏輯呢？在電磁世界里，有許多種現(xiàn)象反映出：原子雖然對(duì)外呈現(xiàn)電中性，但它是帶有兩種等量異號(hào)電荷的，且原子的周圍空間里存在著由原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)。以下列舉幾個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明：
實(shí)驗(yàn)1.真空二極管通電試驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：一塊真空二極管，正極與負(fù)極相隔一定距離，其間并不存在由正極、負(fù)極產(chǎn)生的靜電場(chǎng)、電場(chǎng)力。當(dāng)對(duì)二極管進(jìn)行通電時(shí)，正極與負(fù)極之間不會(huì)因?yàn)榇嬖诰嚯x、沒(méi)有靜電場(chǎng)而使與它相連的電路成為斷路，相反隨著通電的瞬間，正極與負(fù)極之間頓然建立了電場(chǎng)，使與其相連的電路成了通路。
實(shí)驗(yàn)思考：我們?cè)撛鯓永斫膺@個(gè)物理過(guò)程呢？通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以注意到：真空二極管在接上電路之前，正極與負(fù)極是存在距離的，且在通電之前，彼此間沒(méi)有靜電場(chǎng)，當(dāng)真空二極管接上電路的剎那間，整個(gè)電路顯示出通路，那么問(wèn)題就產(chǎn)生了：正極與負(fù)極之間的空間是怎樣實(shí)現(xiàn)電路聯(lián)通的呢？設(shè)想：在真空二極管接入電路之前，正極與負(fù)極之間的空間存在某種“靜電場(chǎng)”，而這“靜電場(chǎng)”則是由正極、負(fù)極材料里原子中的正電荷和負(fù)電荷各自產(chǎn)生的疊加靜電場(chǎng)。那么當(dāng)真空二極管接入電路之后，由于正極與負(fù)極之間的空間存在著不顯靜電性質(zhì)的疊加靜電場(chǎng)，這就使得這種“疊加靜電場(chǎng)”構(gòu)起了連接正極與負(fù)極之間的一座橋梁。由此可知，即使正極與負(fù)極相隔一定距離，但也無(wú)礙電路的聯(lián)通。
實(shí)驗(yàn)2.真空平行板電容器通電試驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：一塊真空平行板電容器，正極板與負(fù)極板相隔一定距離，在接入電路的一瞬間，正極板與負(fù)極板之間建立了電場(chǎng)。實(shí)現(xiàn)了電路的聯(lián)通。
實(shí)驗(yàn)思考：在真空平行板電容器的通電試驗(yàn)其原理和真空二極管是一樣的，都是在并無(wú)聯(lián)通設(shè)備且處于真空的情況下，僅僅依靠原子疊加靜電場(chǎng)而使電路聯(lián)通。通過(guò)真空平行板電容器和真空二極管的通電試驗(yàn)，都讓我們不禁深思，是否在原子的正極、負(fù)極之間存在著由正電荷、負(fù)電荷產(chǎn)生的疊加靜電場(chǎng)，正是這種靜電場(chǎng)的存在使得正極負(fù)極相連接，才有了電路的聯(lián)通。這種現(xiàn)象和思考值得我們深入研究。
實(shí)驗(yàn)3.電磁場(chǎng)產(chǎn)生的原因?qū)Ρ确治觥?br />
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：對(duì)由放電產(chǎn)生磁場(chǎng)產(chǎn)生的幾種形式實(shí)驗(yàn)。
形式（1）平行板電容器充電、放電時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，在由兩極板上的正電荷、負(fù)電荷激發(fā)的靜電場(chǎng)存在的空間里，產(chǎn)生了磁場(chǎng)，簡(jiǎn)言之，充電、放電的平行板電容器內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)。
形式（2）羅蘭實(shí)驗(yàn)。羅蘭把大量的電荷加在橡膠盤(pán)上，然后使盤(pán)繞軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在通過(guò)橡膠盤(pán)上的電荷激發(fā)的靜電場(chǎng)存在的空間里，產(chǎn)生了磁場(chǎng)。
形式（3）羅蘭實(shí)驗(yàn)的翻版。如果把大量的電荷加在一整條較長(zhǎng)的閉合銅線上，然后迫使帶電銅線在兩個(gè)由絕緣體構(gòu)成的定滑輪的牽引下作高速的移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在由銅線上的電荷激發(fā)的靜電場(chǎng)存在的空間里，產(chǎn)生了磁場(chǎng)。
形式（4）當(dāng)一根閉合銅線里有電流通過(guò)時(shí)，在銅線的周圍空間里產(chǎn)生了磁場(chǎng)。
對(duì)比一下形式（3）與形式（4）里的兩根銅線，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們是有共同點(diǎn)的：同樣是一根載流銅線（前者載流借助機(jī)械力，后者載流借助電場(chǎng)力），同樣會(huì)在銅線的周圍空間里產(chǎn)生磁場(chǎng)。唯一的不同點(diǎn)在于：對(duì)于帶有電荷的銅線而言，磁場(chǎng)產(chǎn)生于（由銅線上的電荷激發(fā)的）靜電場(chǎng)存在的空間里，對(duì)于不帶有電荷的銅線，磁場(chǎng)則產(chǎn)生于銅線（沒(méi)有靜電場(chǎng)存在）的周圍空間里。在形式（4）里，如果設(shè)想在這根（內(nèi)部通有電流的）銅線的周圍空間里，存在著（由銅線里原子中的正電荷與負(fù)電荷各自產(chǎn)生的）疊加靜電場(chǎng)，那么在形式（3）與形式（4）中所產(chǎn)生的兩種磁場(chǎng)的形式也就得到了統(tǒng)一。
實(shí)驗(yàn)思考：對(duì)于實(shí)驗(yàn)3的對(duì)比思考，我們可以做如下概述：先有電荷或帶電體的存在，然后才有靜電場(chǎng)的存在；先有靜電場(chǎng)的存在，然后才有磁場(chǎng)的存在。也就是說(shuō)在電荷或者帶電體存在的前提下，才會(huì)激發(fā)靜電場(chǎng)的存在，繼而激發(fā)磁場(chǎng)的存在。如果沒(méi)有電荷或者帶電體的存在，那么靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)是無(wú)論如何也不能出現(xiàn)的�？梢钥闯�，電荷或帶電體的存在時(shí)激發(fā)磁場(chǎng)存在的必要條件。
實(shí)驗(yàn)4：金剛石的單質(zhì)絕緣體的電極化。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：把一塊由大量的碳原子構(gòu)成金剛石放入較強(qiáng)的電場(chǎng)中，金剛石內(nèi)部的每個(gè)碳原子則會(huì)形成一個(gè)個(gè)電偶極子，最簡(jiǎn)單的一個(gè)電偶極子為由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子所構(gòu)成的原子系統(tǒng)，也就是氫原子。這時(shí)，由大量整齊排列的電偶極子（碳原子）所構(gòu)成的金剛石在其兩表面將分別產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷。整個(gè)金剛石也呈現(xiàn)出中性的不帶電屬性�？芍饎偸瘞щ姡枰柚鈶�(yīng)力——電場(chǎng)力來(lái)維持；而鐵礦石、磁石帶磁，則可以借助內(nèi)應(yīng)力——分子間作用力來(lái)維持！
以上的四個(gè)實(shí)驗(yàn)，從客觀上折射出這樣一些信息：在真空條件下，二極管和平行管電容器都可以在正負(fù)極之間存在距離的情況下聯(lián)通電路，原子帶有兩種等量異號(hào)電荷；原子的周圍空間里存在著由原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷通電后各自激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)�！�
另外，從實(shí)驗(yàn)里還發(fā)現(xiàn)：原子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中會(huì)受到電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力的作用。以氫原子為例，原子在電場(chǎng)中的受力情況如下：把一個(gè)氫原子沿著垂直于電場(chǎng)線方向射入勻強(qiáng)電場(chǎng)中，氫原子在此電場(chǎng)中只受到電場(chǎng)力的作用，此時(shí)帶正電荷的質(zhì)子受到與電場(chǎng)線方向相同的力，帶負(fù)電荷的電子受到與方向相反的力，受力分別為F+、F-，這兩個(gè)力大小相等，方向相反，并且作用在同一條直線上，這時(shí)氫原子處于二力平衡的狀態(tài)，在電場(chǎng)力的作用下，氫原子按照射入電場(chǎng)的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。原子在磁場(chǎng)中受力情況如下：當(dāng)把一個(gè)氫原子沿著垂直于磁場(chǎng)的方向上射入場(chǎng)強(qiáng)較小的磁場(chǎng)時(shí)，氫原子里的質(zhì)子、電子將受到磁場(chǎng)力的作用，受力分別為F+、F-，這兩個(gè)力大小相等，方向相反，且作用在同一條直線上。此時(shí)，這兩個(gè)力作用在氫原子上，處于二力平衡狀態(tài)，氫原子在磁場(chǎng)力的作用下，將不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
三、原子帶有兩種等量異號(hào)電荷的總結(jié)思考
當(dāng)原子帶有兩種等量異號(hào)電荷這個(gè)觀點(diǎn)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，這將會(huì)對(duì)現(xiàn)有的電磁學(xué)體系產(chǎn)生重大的促進(jìn)作用，也會(huì)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重要的意義�！ �
1.因原子帶有兩種等量異號(hào)電荷，則由大量原子間接構(gòu)成的宏觀物體相應(yīng)地帶有兩種等量異號(hào)電荷；原子的周圍空間存在著由原子里的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)，則宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)。
我們知道，靜電場(chǎng)是有源電場(chǎng)， 高斯定理告訴我們，在一個(gè)封閉的曲面，靜電場(chǎng)在電場(chǎng)線穿出曲面的條數(shù)與穿進(jìn)曲面的條數(shù)之差正比于該區(qū)面內(nèi)所包含電荷電量的代數(shù)和。同時(shí)靜電場(chǎng)也是保守立場(chǎng)，有點(diǎn)類似于我們非常熟悉的生活中的重力場(chǎng)，故在靜電場(chǎng)中引入電勢(shì)差來(lái)描述將單位正電荷從一點(diǎn)移動(dòng)到其他點(diǎn)的過(guò)程中電場(chǎng)力對(duì)其做功的值。在上述試驗(yàn)中可以推斷出原子的周圍空間存在著由原子里的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)的結(jié)論，因而推及宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子內(nèi)的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)，可以說(shuō)靜電場(chǎng)的存在對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程和生活實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)具有極其重要的作用和意義。
2.原子帶有兩種等量異號(hào)電荷，原子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中受到電場(chǎng)力，磁場(chǎng)力的作用而不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。這表明，判斷一個(gè)粒子是否帶有電荷，不能以“這個(gè)粒子能否在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)”為唯一標(biāo)準(zhǔn)。
以往的經(jīng)典理論將某一粒子能在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)作為判斷粒子是否帶有電荷的唯一標(biāo)準(zhǔn)，從上述試驗(yàn)中可以得出，原子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中受到電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力的作用而不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從這一結(jié)果就可以證明，經(jīng)典理論中的標(biāo)準(zhǔn)并不是唯一的，這種情況值得我們更加深入的探討和研究，進(jìn)一步加以實(shí)驗(yàn)證明。
3.宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子中的正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)，電磁波在這種媒介“疊加靜電場(chǎng)”中傳播。
電磁波可以在高中介質(zhì)中傳播，其傳播速度也不盡相同。在上述試驗(yàn)中我們得出，原子帶有兩種等量異號(hào)電荷，同時(shí)也推斷出宏觀物體的周圍空間確實(shí)存在著正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)，所以我們可以說(shuō)，電磁波是在這種疊加靜電場(chǎng)的媒介中傳播的。
4.宏觀物體的周圍空間存在著靜電性質(zhì)不明顯的疊加靜電場(chǎng)，使得電磁力與萬(wàn)有引力之間具備統(tǒng)一的可能性。
宏觀物體的周圍存在著由正負(fù)電荷激發(fā)的疊加靜電場(chǎng)，這種靜電場(chǎng)的性質(zhì)卻并不是非常明顯。萬(wàn)有引力是任何有質(zhì)量的物體之間的相互吸引力，對(duì)于質(zhì)量和體積較小的微粒來(lái)說(shuō)，萬(wàn)有引力并不明顯，但對(duì)于較大的物體來(lái)說(shuō)，其作用是相當(dāng)明顯。電磁力是帶電粒子通過(guò)電磁場(chǎng)傳遞的相互作用，帶電體各個(gè)方位在空間體不平衡的反作用力的作用下，產(chǎn)生了帶有方向性質(zhì)的力。疊加靜電場(chǎng)的存在，使電磁力和萬(wàn)有引力之間具備了統(tǒng)一的可能性，究其根本就是來(lái)源于宇宙的根本原則——平衡趨勢(shì)，正是由于平衡趨勢(shì)，使得物質(zhì)的本源不斷地進(jìn)行著循環(huán)和變化。
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