结构物理 （一）

视频课一，原子之间的连接

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，我不是学物理专业的，而是源于少年时的好奇和兴趣，以质朴的思路、独特的视角来揭示自然真实的物理。从宇宙天体到微观物质告诉我们：自然世界是运动的、构成的，因此，万物之理-物理必定是运动的、结构的。物理学的研究，不仅仅是传承、更应该是对物质的基本构成和运动进行思考。

一、  原子之间的连接-价和运转

物理、万物之理，理当来自于万物。科学先贤已经为我们开辟了元素周期表，所有物质都是由质子、电子构成。近一百种原子的能级结构有光谱实验的佐证，堂堂正正的排列在周期表上。可是原子间如何连接、如何构成物质？成为研究者首当其冲、直接面对的问题。不在意量子理论、不附和粒子物理、量子场。只是从本源上关注物质的原始构成及其运动，探索物理特性，这就是第一性原理。

早年权威学者猜想出了化学键理论，开始是三种、后来陆续增加到七八种，可还是不能全面地解读各种原子之间的连接；更不能解读相变时僵化固定的化学键是如何变化？化学键的基本理论-电子偶合，与电子相斥的主要特性完全格格不入。大自然不会自相矛盾，在相斥的电子之间再弄一个电子偶合。（图1）

           图1 近代教科书上的电子云成键

化学键的败笔就在于；完全找不到原子间的结构原因、结合逻辑、及结合力，忽视核外电子的运动及其运动后果，把原子外电子的分布看成一成不变的定势，看到原子边上全部是电子、就把相斥的电子说成是偶合、把斥力说成是结合力。造成相变等后续的理论探索无门；化学键理论繁琐、矛盾重重。那么，原子之间是怎样连接的呢？（两个人的结合不是边上有手，而是发自于内心）

原子间的连接-结合是普遍存在的，我们先来看看原子之间的不连接-惰性气体的形成。除氦气外，所有惰性原子外围是8个价电子呈球面包围运转着，肯定会与相邻原子的外围电子相斥、撑开距离，于是，形成比液态分子距离大10倍、体积大近1000倍的分子气体。氦气虽然只有两个价电子，但是这两个电子速率极高缠绕运转着也能呈球面包围，形成气体。惰性元素告诉我们，外电子饱满（像蛋壳）整体外包围，造成外电子的相斥、撑开距离，是形成气体的必要条件。

除了惰性气体外，还有氢、氧、氮气，这些两个原子结合起来形成了气体。我们先来看简单的氢气,氢气分子只有两个电子，能够形成气体，肯定是有电子的外包围，只能是这两个电子包围在两质子之外、形成缠绕式椭球形的高速运转；才能形成分子之间电子相斥、形成空间距离很大的氢气；完全不可能是原子之间的电子偶合-化学键。

氧气、氮气的核外电子较多，能够成为分子气体，肯定是有电子饱满包围在分子外。作用过程是：原子核内的质子场对周围物质、对电子的引力没有边界，超出原子、向外无限延伸，两个原子相互吸引对方的价电子，形成共有的价电子包围在两个原子核心（原子实，即不包含价电子的原子）之外、呈椭球形运转，如同一个个双黄蛋，外表面电子的运转如同电子蛋壳相斥，方能形成距离很大的气体分子。

原子之间的连接，是原子构成的继续。原子核对周围物质、对电子的引力，成就了电子的环绕运转、是物质构成的主力，是最强大、最基本的聚合力。注意！原子核的聚合力是没有边界的，这是个引力场，不会到了原子边缘就嘎然而止，而是超出了原子、向外无限延伸，原子之间的结合就是运用到这个基本聚合力。

原子核引力向原子外的延伸，首先遇到的是相邻原子的价电子，这是第一个“猎物”，但是原子核与核外电子数是有规定的，猎物不能收纳，只能暂时显示原子核的能力。相邻原子也有此能力，也能够吸引对方原子的价电子，尤其是在自身价电子也将成为邻居猎物的时候。于是，两个原子相互吸引对方的价电子，形成两个价电子环绕两个原子旋转、抱团是和谐共处的最佳方案，也就成为原子间联系、结合的最佳选择。

自然原子最明显的结合就是分子，我们注意到：大气里的氢、氧、氮气等同种元素的原子，它们总是两两牢固地结合成分子，在化学方程式中，氢气、氧气也要写成H2、O2，这是同类原子的两两结合。问题是这两个原子是怎样结合的？是化学键-电子偶合、还是另有蹊径？在常温下，这些分子结合总是呈现为气态。我们就来看看这些气体分子中的两个原子是怎样结合的？

电子的运动是物质中最明显、最活跃、最有作为的存在。但是电子如何运动、怎样作为？却是未解之谜、令人困扰，不妨迂回到大自然的基本状态进行探讨。

从核外电子2/8/8的分布、从惰性原子表面布满了价电子且相态都是气体，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，只是个主观、不切实际的臆想。没有化学键，原子之间是如何连接、结合？我是从气体的特性来思考原子之间的连接。

气体的存在是：原子相互吸引对方价电子、形成共有价电子高速密集的运转，呈蛋壳球面包围两原子实(除价电子之外的原子体)，球面电子与电子相斥，方能推开距离、形成气体。这种形成共有价电子的运转是原子结合的最基本的方式，会保留在液体、固体之中。

我初中是化学课代表，几十年思索：氮原子5价、氧6价，只相差1个电子，氧气为什么活泼、氮气为什么惰性？耿耿于怀几十年，一天，从化学键的阴霾中突然醒悟，对气体的形成有了独立的见解：相同元素形成的气体分子，一般是由两个原子紧密连接构成独立的整体，图2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2   氮气、氧气分子结构示意图 

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2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个价电子围绕着两个核心，12个价电子只能排布成为2/8/2（如图2右），最外层只有2个电子，形成了活泼元素镁的排布（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，也证实了我的构想，原子间的价电子共享包围运转的真实，是合理存在。今后，化学老师可以逻辑明晰地告诉学生氧气活泼、氮气惰性的原因。

气体分子的构成是原子相互吸引对方价电子、形成共有价电子环绕两核心、把原子全面地包围方能外围电子相斥、形成气体。共有价电子环绕两核心的运转，促成两原子结合。这种价电子共享运转的结构简单、高效，自然会存在于固体、液体物质的联系之中。

见（图3左），我们把共有价电子包围着两个核心、促使两核心紧密结合的运转叫做-价和运转；把价和运转所包围而形成的紧密整体叫做-结构元；把参入价和运转的电子叫做-价和电子。价和电子的价和运转是原子之间所有的连接、构成实体物质、构成晶体乃至构成液体、气体的重要的物理原因。

                图3 原子之间的结合-结构元（红色球是原子实）

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。首先两原子由价和电子运转形成结构元，然后结构元连接构成万物。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。应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。

共有价电子环绕运转让两原子紧密结合，把质子对电子的吸引力发挥到极致、也构成两原子的结合力。可见两原子的结合是价电子包围运转的作为，不存在电子云重叠而偶合，没有化学键什么事。原子有几个价电子就能够构建几个环绕的结构元，图3右就是4价晶体的一个中心原子所构建的结构，然后以周边原子为中心，再连接3个结构元，如此连续展开，形成4价晶体（如，硅）的晶体结构。

如果按化学键理论，价电子都是在两个原子中间“偶合”，不能全方位包围两个（数个）原子，所以不能构成电子壳层、也不能形成气体。如果笃信键理论，除了惰性气体，氧、氮、氢气、二氧化碳等气体统统都不可能存在，地球上就没有大气层！外电子整体外包围是气体形成的必要条件。

所有气体、包括多个不同元素的气体，如：水蒸气、二氧化碳、甲烷等等，不管你是什么键、也必须是共有的价电子在外、形成壳层，要不然它们不会相斥、飞不起来，能飞起来气体都是由于有价和电子高速运行形成的球面。

这种公用价电子的包围运转是原子结合的最重要的运动，这种运转符合自然物质存在事实，能够实现相同和不同原子之间的结合，取代：金属键、共价键、离子键……等等所有化学键的全部功能；价和运转所形成的力就是价和力，可以取代：色散力、诱导力、取向力等等四五种分子力；价和运转还能适应：固体、液态、气体的各种相态的结合，并且能合理解读相态的变化（相变）。

原子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。化学键理论发韧于200年前，不断地修补传承。但是对核外电子的运动回避、放弃了“运动-后果”的自然铁律，猜想牵强；化学键面对相变哑口无言、导致研究进展困难，不符合事实的理论肯定是要下课。

2021/4/22