结构物理 （二）

视频课二，原子之间的连接-结构元

电子的绕核运动，实践着“事物是普遍联系的，事物是不断运动的”的哲学规律。同时，这个英明的论断还应该有进一步的深入，大自然用所有的事实连篇累牍地告诉我们：事物运动必然产生后果，这是笃定的哲学存在，所有的现实的存在和结构都是相关的运动的结果。

天体运动，导致春夏秋冬、阴晴圆缺；

地球板块运动，形成山川河流、平原大海；

生命运动后果，造就花红柳绿、飞禽走兽；

水汽分子运动，形成了汽、云、雨、溪、河；

人类迁徙运动，构成了今天的地球版图。

核外电子的运动，百年来认为没有意义，称之为电子云。

然而上一讲结论：价和电子的球面包围运转，原子才能结合成气体。给人们的启示是：核外电子的速率、位置和运动后果构成了气体；价和电子的包围运转如同电子蛋壳，令分子分开距离，电子运动在气体形成之中作用显著。

再看周期表，价电子有着特别重要的意义，数目相差一个，物质的特性就有巨大差异。表中的电子是数目，实际电子是运动着的、运动所形成的后果必然是与物质呈现的特性、特征有着密不可分的联系。物理研究是探索物质特性来历，那么方法应该是依据现象、关注运动及其运动产生后果，分析结构、探索机理。

物质层面，核外电子的运转是最积极、活跃的运动。除了形成气体的运动，当温度降低、气体凝结成为液体、固体时，公用价和电子的包围运转仍然存在，不过运转线路不是在椭球面，而是包围线路成为了带状椭圆、或平面椭圆，价和电子的包围运转还是保持，仍然是原子结合的最重要的运动。

价和运转能够形成所有原子之间的连接，取代金属键、共价键、离子键……等所有化学键的全部功能；大自然也不会弄那些色散力、诱导力、取向力等七七八八的分子力，用价和运转把质子对电子的吸引力巧妙地转换成原子间的聚合力；智慧的造物主肯定不会制造逻辑晦涩、种类繁多的化学键、用一个价和运转搞定所有原子的结合。

原子引力外延、相互吸引价电子，会不会造成混乱？根据泡利不相容原理，每个电子轨道上只能有一对电子运转。原子间的价电子运转共同遵循这一原理。结构元的形式如同是原子的家庭，是原子之间相互连接、结构成物质必然的又一级基本单位。

有人会说：原子之间相互连接早有了，叫做分子，何必多此一举弄个结构元。确实，单独存在的结构元就是分子，人们早已把两原子的气体如：氢气、氧气…称之为分子。之所以还要提出结构元，因为结构元侧重点是表达两个原子的连接、关注结构。但是分子不仅仅是由两个原子的连接，例如：水、二氧化碳叫做分子，却由两个结构元构成。还有：甲烷、丁烷分子则是由更多结构元组成（图4），图中的一个丙烷分子就有12个结构元；结构元还能连续连接，形成液体、晶体；还能表达化学中相同或不同元素的结合解体或变化；结构元还将是有机物、生物构成的基本单位。

 A：水分子B：水蒸气  C：甲烷     D：乙烷     E：丙烷

图4 （图中 棕色：碳核心，绿色：氢质子）

固体物质（硅）有4个价和电子在空间轨道上稳定运转，形成4个结构元，图4左：（在空间，硅材料是空间金刚石结构），图4右：5个价电子的菱方结构，如磷、砷等。价电子4-7个非金属原子，能够构成多个结构元、结构元之间位置相对固定，形成了稳定有序的固体架构，形成共价晶体。

化合物由不同原子的价电子结合结构元，形成化合物结构，如：盐、石灰、大理石等等。

            金刚石结构                             菱方结构     　

图4　 晶体的结构  

碳原子的核心半径很小，价和电子的速率很高，所以其价和力较大，加之有四个结构元形成金刚石结构，外力极难损坏。宏观的表现就是：金刚石的硬度很高、强度很好。钢是在铁中均匀添加了少量的碳，以增加内聚力、增加强度。

这样,结构元把质子对电子的引力，演化成两原子的结合力、逐步拓展成为所有原子的结合，构造成为物质的内聚力，成为了原子构成各种物体基本内力。多价电子元素的价和运转-多个价电子按顺序环绕核心规律进出，说明价电子的运动的线路、速率是整齐、规律的。由此，方能构成整齐有序的晶体。

石墨的片状结构一个碳原子的三个结构元与其他原子的结构元结合成平面的六边形均布，碳原子还有一个结构元在平面之间结合，因为层间间距是平面结构元间距的2-3倍，所以层间距离大价合力小，形成了石墨的片状结构。

                  图4-2，石墨的片状结构

金属物体的构成

百年来奉行自由电子构成金属键之理论，成键理论牵强，不能解读金属自由电子的自由来自哪里；在导电时电子流动，如何维持金属键的稳固；也不能解读金属材料的延展性和塑性；不能说明金属的光泽来自哪里；更不能解释金属遇到高温时如何熔化（相变），常见的相变成了科学之谜。为此，必须从头探讨金属物质的构成物理。

以上4价、5价的非金属物质能够结合成 金刚石结构 、菱方结构，金属物质只有1-3个价电子根本就不能建立成立体，如何能够形成厚实的金属晶体材料？如何构成金属面心立方、体心立方晶体？为此，我们还要来探讨构成金属物体、使金属原子结合的另一内聚的力——电磁力。

金属内的电磁力

金属中，原子的外层只有1-3个价电子，价和运转只能形成1-2个结构元，不可能像硅那样有多个结构元结合成空间结构。那么，只有１个价电子的铜、银；2个价电子的铁、镍；3个价电子的铝，是如何构成其金属的晶体结构？大自然另有巧妙安排。不要忘了，电子的运转还能产生另一种力：电磁力。

电磁力    回顾初中的物理实验，直流导线外产生磁场，小磁针偏转；直流线圈导电后，中间的大铁钉成为强磁铁。在物质内部，当价和电子高速运转时，在与旋转平面垂直的方向产生着较强磁力，每个结构元如同一个微型磁铁，这些结构元的南、北极相互吸引，磁力把结构元相互吸引在相对固定的位置，于是就形成了物质的另一种内聚力——电磁力。

（这是真正的电磁场力，不是近代物理定义的带电粒子的电磁力）

 金属原子之间主要是靠电磁力维系其结构。例如，铜元素只有一个价电子，每两个铜原子只能结合成一个结构元，当两个价和电子高速旋转时，在旋转平面椭圆中心的垂直方向伴生着较强的南北指向电磁力（图5右）。与相邻结构元的电磁力南北极相互吸引，无数个结构元这样相互吸引整齐排列，就构成了铜的金属晶体结构。

                                   价和结构 　　　　　　 电磁力结构    　　

　　　　　　　　　　　 　图5

图为金属物体（铜、银）结构示意：棱形表示价和电子运转轨道所在的平面，上下两平面相互平行，价和电子运转所形成的电磁力南北极相互吸引，同时还有处在与此平面垂直位置的价和电子的运转，形成三维方向的电磁力，构成了金属结构。

金属结构元的特性

金属物体由于金属结构元间靠电磁力维系其结构，这种结构，如同无数个微型磁铁相互吸引结合在一起。受到较大外力时,结构元能在物质内滑移换位，重新结合。正是金属结构元的这种滑移、换位、重新结合，构成了金属所具有延展性和塑性。如果不认可电磁力，物理学永远也解读不了金能制成金箔、银能拉成细丝，铁板能够冲压成杯子的自然事实。

由于金属的价电子少，平行的结构元排列整齐、价和电子速率很高，电子在旋转中辐射电磁波。这样的高频电磁波能反射某些频率的光波，因而许多的金属具有金属光泽。金呈现黄光、纯铜呈现红光、银反射白光……与核外电子的速率息息相关。现代物理没有告诉孩子们金属的光泽来自哪里，为什么金属能够反射不同颜色的光。

价和力、电磁力的大小取决于价和电子的速率及线路的稳定。价和电子运转所产生的价和力、电磁力形成了物质的内聚力，构成了各种物质的形体结构、构成了物体的强度、导致了物质的各种特性、构成了丰富多彩的物质世界。

结构元的贡献

结构元是大自然所有原子（惰性原子外）相互结合的基本方式，是原子构成形式的继承和拓展，符合自然造物的一贯做法；原理系统、简单，适用范围广泛。能统一描述金属、非金属、化合物等各类物质的构成、及其演变（化学），适用于几乎所有的物质构成乃至其相变。

结构元形成的前提非常明确、简单，就是人们广泛认可的原子核对电子引力；是质子场吸引电子，构成原子，构成物质的最主要的力；也是物质构成，结合成为物体的最主要的力；是电子绕核心运转的继承和延续，只不过线路略大了一点，就构成了两个原子之间、乃至万物的连接，由此看到大自然的简约和睿智。

结构元构成晶体，构成分子，构成气，液，固体，形成化学反应。构成有机物，构成DNA的碱基、能够连接、复制，构成蛋白质，构成细胞，构成生物。是化学元素周期表之后、元素构成物质的必然结构和普适存在。

大自然深谙大道至简，用结构元一种结合方式实现所有原子的连接，当然比七八种化学键简单有效，并且逻辑通畅；仅用结构元之说就能够解读金属的塑性、延展性、非金属的脆性，以及所有物质的多种性能；用价和电子速率、运转半径构成了物质的结合力；还能在价电子的运动、变化中解读力的变化。今后的学子再也不用去记忆那七七八八的化学键、记忆色散力、诱导力……也不用去计算那些离子性比例。

结构元是原子结合的重要方式、是自然奥秘的重大发现，是各种物质构成的主要原因；直至解读物质的相变、液态流动、气体的浮动、催化之谜、超导之谜；所有的解读左右逢源。学界应该对这一发现进行认真的研讨论证，结构元的研讨能够促进物理学、化学乃至生物学在新基础理论中率先发展，是元素周期表之后中国学人对世界科学的重大贡献。                             

从宇宙天体到太阳系、从地球到山川河流，从动植物到细胞基因，世上万物无一不是结构的，那么，物理必然是探索结构。结构是粒子的有机连接、结构来自于实体伴生场的联系和运动。即粒子场的关联-运动-结构，形成了万物、造就了物理，物理研究方法应该是依据现象、分析结构、关注运动、探索机理，运动产生后果、是事物存在的普遍规律。

2023/3/18