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磁性与电子自旋

已有 2994 次阅读 2021-9-4 10:12 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

                    磁场中的物理问题 

                                                                   晏成和

一、说说电子

一百年前的科技,无力检测到核外电子的规律运动,思想也没有遵循大自然给出的规律之路,导致电子云理论、测不准理论悄然形成。

20世纪初,双缝实验证实电子具有波动性;光电实验“证实”了光的粒子性。于是对物质的探索变成了是波还是粒子的争论,研究对象从物理学中具体的电子和光,偷换成面对所有波、粒群体及其哲学概念的讨论。

波、粒混杂的物理实验正是反思电子与波之间伴生关系的绝佳时机。可惜,时运不济。相对论、量子论趁虚站台,普朗克公式、光量子方程、波函数炫耀登场、探索者叩拜数学成为物理的主宰,导致了物理学几十年迷茫。一方面在数学上寻求出路,一方面在波、粒二象之间纠结。

量子理论告诫:探讨核外电子运转的线路、速率是经典物理、是低级思维,于是划界了科学探索的禁区。所有的研究者都不能、也不敢探讨电子绕核运转、及其运转后果等问题。

读到这里,有朋友会问:量子物理的禁锢,物理学连核外电子公转的线路、速率都不敢探讨、不能涉足,为什么却能高谈阔论、精确计算电子自旋?

是啊,研究爷爷(物质、原子),不准涉及儿子(电子运动),只能找孙子(电子自旋)。酒吧女郎都能感到明显的逻辑断层,物理大咖却乐此不疲。

二、银原子实验

谈到电子自旋必须要介绍一个著名的实验(银原子实验)。

1921年,斯特恩和盖拉赫设计了一个简单实验,他们让银原子束通过非均匀磁场B,如图一。他们惊奇地发现从磁场射出的银原子束分裂为上下对称的两束。右图上的“嘴唇状”是他们的意外收获、右图下的线状是之前设想的结果。[1]

因为禁忌探讨核外电子运转的线路、速率。面对原子束经过磁场后的分离,人们不能解释、陷入困境。

image.png
                                                 图一

                         (此图借用于黄秀清的博客,此谢)

为解读银原子实验,学界费尽心机,由于量子理论禁锢,物理学不敢涉及核外电子的规律运动,物理的探索也就没有了来自原子内的信息。历经4年煎熬,有学者恪守物理学不准讨论核外电子运动的规矩,小心翼翼地提出了电子自旋。

认为银原子实验是:不对称的磁铁产生了非均匀磁场,使银原子的电子磁矩暴露出来。因为银有47个电子,其中46个自旋的方向正负相反、抵消了,剩下的一个电子的自旋磁矩效应显示出来 [2],电子的自旋是1/2,于是有的向上、有的向下,就形成了分开的上下两束。

学者艰难、晦涩地解释了以上实验,但是没有涉及电子的公转、没有犯忌,得到认可。自此以后,“巧妙”的电子自旋,成为了原子内部唯一的信息来源,自旋之说由此发展成为物理学探讨物质的主打理论、成了物理磁学的理论靠山,开始大行其道。

诚以为,物理探索本是揭示自然真实、必须与已有的自然事实全面地相符不悖,可是自旋之说对实验解释掺杂太多的臆想成分:“自旋磁矩、玻色子、费米子 ”等等,强加的理论不是大自然的真谛,牵强附会的自旋解释破绽百出。

1、量子物理的波、粒是不确定的,电子可以是粒子、也可以是波。自旋理论中自旋的是粒子、还是波?试问,波是如何自旋,波自旋如何产生磁场?

2、什么是自旋磁矩效应?电子的自旋如何产生磁场?大自然在奥斯特实验中已经明白无误地告诉我们:电子整体的移动伴生着磁场,磁性来自电子的移动。精明的大自然不会用电子的移动形成磁场、再用转动又建立一个磁场。这两个磁场将如何协调?这个节外生枝的自旋磁矩效应,有没有实验证明?[3]

3、电子公转。飘忽不定、时快时慢的电子云如何在公转的同时、保持自旋的方向稳定朝向原子外某固定方向?有人会拿出陀螺仪来说事,一个小小的电子携带着电场、如何同时具备陀螺功能?关于磁场方向,大自然早就告诉了人类用右手定则,精明的自然绝不可能用几个方法来规范磁场方向。

4、一个银原子的质量是一个电子的47x1836+47=88128倍。银原子中46个自旋方向相反的电子磁力互相抵消,仅凭这一个电子自旋产生的磁力,就能使银原子发生上下移动,实在有点夸张。按比例一算:腰上有颗重2克的扣子在自旋,就把一个176公斤的大胖子吸上了高架铁桥。(352斤!)

5、现代物理学经常拿这个自旋进行计算,这个1/2没有单位,说是电子自转720°才旋转一圈,我这个学机械的脑子跟不上。你探讨物理你就说物理,为什么要把原来大家熟悉的数学、几何的概念、单位都要更改?

6、量子物理的核外电子的运转是飘忽不定时快时慢的,这种状态下电子准确的自旋1/2、3/4还有意义吗?计算的结果可信吗?一个时针,秒针很准、滴答滴答。可是分针、时针时快时慢、时正时反、飘忽不定。你敢用这个钟来上课、赶火车?

以上质疑针针见血、来自正常思维,于是自旋学者提出“电子自旋是内禀的、有非经典性质”等等超常思维。似曾相识:量子力学的波、粒子是非经典、这里的电子自旋又是非经典,现代物理总是滋润在非经典之中,说不清楚就用非经典。可是我们是平常人、平常思维,难以望其项背。

现代物理,先是有物质的波、粒难分、量子纠缠;现在又有内禀的自旋,全是非经典。感觉物理学的发展是新词越来越多、越来越神秘、深不可测。

人们相信:大自然崇尚简约。深奥、复杂的往往不是自然真实。



三、几个有趣的现象

先不急于解读银原子实验,而是继续观看几个有趣的磁性实验。见图二

 


                                         图二             

  图中,左手拿的是一个纯铜的圆筒,右手拿的强磁性的圆柱体磁铁。把这个磁铁投入圆筒中,让它自由落体运动。你会发现,磁铁降落缓慢,在圆筒内受到较大的阻尼。

还有是物理玩家安德烈·盖姆(Andre Geim)曾经玩过的几个著名的实验,代表作就是那个著名的“飞翔的青蛙”实验。(安德烈·盖姆的玩实验的视频,我见过几次,没有收藏,哪位大侠有、请提供,甚谢!)

安德烈·盖姆的玩具很简单,就是一个磁力超强的圆筒,然后把青蛙、水、纯铜分别通过强磁性圆筒,这些物质的下降速度都变得缓慢,青蛙甚至能够悬浮在圆筒之中。探究其原因,有文献说:在外加磁场中,青蛙体内的水表现出很强的反磁性,其实就是利用青蛙体内水的反磁性来让青蛙悬浮。

人类文明几千年,这一次才知道水有很强的“反磁性”,又是一个新词。至于这个反磁性是怎么来的,肯定是有几页纸的1/2、3/4等等自旋计算,等您看糊涂了,也就认可了。

 

四、磁性的来历和物质的构成

要解读水、青蛙等物质在磁场中特异的现象,先必须了解:1、磁性的来历,2、物质的构成。我有博文《磁性是怎么形成的?》[3],现在摘录、简介磁性。

早在1820年,奥斯特发现了直流电对导线外小磁针的作用。

该实验显示:直流电导通,电珠发光,导线附近的小磁针立即偏转, 这个实验告诉我们,电子的运动伴生着磁场,大自然的磁性来自电子的运动。直流电是电子的流动,直观地呈现磁场。

当今物理,面对如此明显的事实还要回避电子的运动、搞出个电子自旋理论,可见现代物理人被洗脑、受束缚之深。放弃眼前实在,在虚幻、臆想的自旋中寻找磁性是缘木求鱼。

实验中,导线内移动的电子运动伴生磁场,那原子的核外电子也在高速运转,电子的核外运转会不会产生磁场?回答是肯定的。

到此,有人会问:100多种元素都有核外电子运转,那么所有的元素就应该都有磁场,(这个推论是正确的!)所有的元素都有的磁场在哪里,你见过吗?问得好!这正是当代磁学研究者的困惑,也是我们必须面对的问题。

所有的物质都应该有磁场,是不是?那么就来看看物质的构成。

我在物质的构成《化学键一个世纪的迷茫(二)》[4]晶体形成的物理原因谈到:质子的引力也吸引相邻原子不稳定的外层电子,形成结构元。原子有几个价电子,就能够构建几个结构元。因此4-7价的每个原子周围都环绕同价数的结构元,由此构建了价和晶体(共价键)结构(图三左)。

价和晶体的价电子的运转确实是伴生着磁性,但是价和电子所处的方位各异,运转伴生的磁场方向紊乱、抵消,所以价和晶体一般不能显示宏观磁性。

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        价和晶体(4价)               金属结构

                            图三

金属体只有1-3个价电子,只能形成1-2个结构元,(3价金属只有1个结构元,另题讨论)如何构建晶体?单个或双联结构元的连接,是由于结构元的价和电子运转所伴生着N、 S磁场,磁场力将结构元相互吸引,靠电磁力维系构成了金属体的结构,如图三右。

在强力作用下结构元可以移位,移动后电磁力可以重新吸引结合。由此也就构成了金属的塑性和延展性。电磁力能够使不同的金属的结构元相互吸引,于是才能够构成合金,金属材料的存在是所有的物质都有磁场的直接证明。

(物理学至今尚不能解读金属的延展性)

液态物质于是由结构元组成,不过其结构不像价和晶体那样稳固;也不像金属晶体有稳定的电磁力,而是结构元成链、成环,时合、时分,内聚力很小。

(关于液态物质的性质和相变,请看拙博《物质的相变》[5])

不管物质是固态、液态或气态,结构元都有一个共同的特性——维护自身的结构。当物质受到外界的物理(力、热、光、电、磁)侵扰时,总是调动自身能力抵御。受到力、热,则共用价电子加快速率;遇到光、电、磁则调整用价电子的运转方位以利于与外界侵扰抗衡。

 

五、解读实验

好了,我们可以回到图二,当把这个强磁铁投入纯铜的圆筒中,强磁力影响到纯铜结构元电的磁力,纯铜结构元的电子调整方位,抵御外磁场的侵扰,这就形成了抵御磁场的阻力,大量阻力的集合,让强磁铁的自由落体的速度缓慢。

再来看看安德烈·盖姆的青蛙。当青蛙通过强磁性圆筒,青蛙的细胞组织-碳氢化合物和液态物质构成的结构元受到外部强磁场的侵扰,于是所有结构元的电子调整方位,抵御磁场侵扰,这就形成了抵御外磁场的阻力,大量阻力的集合,让强青蛙的自由落体的速度缓慢,又因为青蛙自身质量不大,而表面积相对很大,抵御磁场的阻力更大,因此自由落体的速度更加缓慢,近乎于悬浮在圆筒之中。

物质在强磁场中自由落体的速度缓慢,不是因为自旋是几分之几,而是因为物质的结构元受到外部强磁场的侵扰时,所有结构元的价电子易于调整方位,抵御磁场侵扰,这就形成了抵御外磁场的阻力。所以物质的结构元的位置相对灵活、价和电子调整比较容易的液体、生物体、金属在强磁场中自由落体的速度缓慢。

现代医院的核磁共振仪,其实没有核的什么事,也没有共振,主要是强磁场和X光。在强磁场的作用下,身体里的液体和软组织的结构元的价电子调整方位,抵御磁场侵扰,边界清楚。于是在X光的透视下形成不同组织清晰的界面,成为胶片上清晰的图像。

 (百年前人们发现了X光,只能清楚的看到骨骼,软组织全部模糊不清)

而价和晶体的结构元位置固定且相互牵制,受到外部强磁场的侵扰,结构元的价电子位置相对稳定、难以调整方位。所以难以形成抵御外磁场的阻力。我们可以借用安德烈·盖姆的强磁性圆筒做实验。让冻硬的冰块和相同质量的水分别自由落体通过磁圆筒,你会发现,冰块下落较快、水下落相对较慢。原因是冰的结构元位置固定且相互牵制。

到此,我们再去看看那个著名的银原子实验。回到图一,注意看左下角,有一个小的高温炉,在这个炉子里,银材料被加热成气体。

这里需要提醒的是:气体的银不是单个的银原子,应该是银分子气体。因为银元素在固态或液态时都是先两两构成结构元,然后构成物体。加热成了气体,这个结构元不会解体仍然是两两结合,以分子状态前行。

(希望科学网有条件的实验室能够证实(或证伪)银分子)

银原子实验中两个原子如同O2、H2,组合成一个气体结构元在磁场中前行,气态结构元受到上部强磁场的侵扰,于是结构元结构元调整方位,抵御外磁场的侵扰,银分子向下移动;当靠近下部,受到下部强磁场的侵扰,于是结构元调整方位,银分子向上移动。所有的银分子在磁场中上下波浪式前行。到了出口,从磁场射出的银分子就依照刚才的向上(向下)运动惯性继续前进,于是就就分裂成为上下对称的两束。

六、结论

以上分析紧扣核外电子的规律运动,踩踏了量子物理的禁区。然而事实清楚,分析过程是理性的、逻辑是严谨的。只用了一个新词-结构元。所有的磁性实验:强磁铁投入纯铜的圆筒中;青蛙、液体投入磁性圆筒、核磁共振都证明了结论一:不管是金属固体,液体、动物体,体内的结构元都是客观存在,并且其牵连较少的价和运转,比较容易随着外磁场调整位置,所以在强磁场中阻力较大(实验中下落较慢)。而共价晶体、化合物晶体的结构元牵连较多、位置相对固定,在外磁场中不能(易)调整位置,实验中表现阻力较小。实验结果与之前的物质构成之说一脉相承。

结论二:磁性实验表明,所有的磁性、磁场磁力都来自电子的移动、磁性与电子自旋无关。实验胜过那些计算。全文没有数学公式,数学计算应该是在检测了电子运转速率与磁场强度关系之后。


自旋理论的提出、壮大,是量子物理禁锢后的必然。近代物理学独尊量子力学,作茧自缚、禁止探讨核外电子规律运动、自旋成为唯一可接受的、来自原子内的说道,是物质研究唯一可以吹的牛,后来的学者添砖加瓦,赋予了自旋太多无奈的承载和变通,牛越吹越大。吹大了,离爆破也就不远。

大家不难看出,物质的构成和物质的物理特性力、热、光、电、磁、本质上都是来自核外电子的规律运动[6]。核外电子的运动是构成物质特性的内在机制。

一百年来,物理学自围藩篱,禁锢对核外电子的探讨。一代一代踌躇满志的学子被强迫洗脑。物理的家道森严、不敢造次,几十年都不敢伸个头到藩篱外看看,甚至也不愿回忆一下中学的奥斯特实验,虽然是小儿科,但是铁板事实。

量子物理的禁锢,背离了自然真实,阻滞科学一百年,即将土崩瓦解。网友说这是中国人对世界科学做出贡献的千载难逢好时机,希望科学人抓住机遇,携手关注核外电子的规律运动,迎接中华科学思想清新的春天。

2021、9、2、整理发表

 

 

参考文献

[1]黄秀清,科学之道:让科学不再玄学,让物理不再巫理,科学网

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=480705&do=blog&id=994607

[2]岳东晓,从青蛙蹬腿到电子自旋,科学网

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=684007&do=blog&id=994831

[3]晏成和,磁性是怎么形成的,科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-905565.html

[4]晏成和,化学键 一个世纪的迷茫(二),科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-840717.html

[5]晏成和,相变是怎样形成的,科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-842948.html

[6]晏成和,物理学的根在哪里?,科学网

   http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-914341.html




https://m.sciencenet.cn/blog-73066-1302805.html

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