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原子帶有兩種等量異號電荷的理論依據(jù)和實驗支持
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)展過程中，人們對原子有著越來越深刻的理解和認(rèn)識。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)界的一個基本常識，然而原子是否帶有兩種等量異號電荷呢？本文就此論點(diǎn)在現(xiàn)實試驗中如何可以證明及其實踐意義做出探討和研究。
關(guān)鍵詞：原子 等量異號電荷 靜電場
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。原子在古希臘時期被用于哲學(xué)本體意義上的抽象概念，在后來人們認(rèn)識的不斷發(fā)展過程中，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電荷，這個問題需要我們加以研究和探討。
一、原子帶有兩種等量異號電荷理論的歷史衍變
人類并不是生來便了解物質(zhì)是由分子和原子構(gòu)成的，他們對原子和電子的認(rèn)識是一個漸進(jìn)的過程，而認(rèn)識到原子帶有兩種等量異號電荷的理論也是由無數(shù)科學(xué)家經(jīng)過長期、艱辛的實驗才得出結(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。隨著時間的不斷推移，科學(xué)家對原子的理解有了更深層次的發(fā)展。1803年，英國自然學(xué)家道爾頓首次提出了原子說，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。從而揭開了正是研究原子的序幕。之后很長一段時間人們都認(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心玻璃球體，此外再無他物。
1827年，英國植物學(xué)家布朗在觀察水面上的灰塵時，發(fā)現(xiàn)了灰塵在進(jìn)行著不規(guī)則的運(yùn)動，這就證明了微粒學(xué)說，這種現(xiàn)象被稱為布朗運(yùn)動。布朗運(yùn)動的發(fā)現(xiàn)，為進(jìn)一步證實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，并且并測量出電子的荷質(zhì)比。e/m=1.7588×108 庫侖/克。從而粉碎了原子不可再分的說法。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心球模型，開創(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)動的；英國物理學(xué)家莫塞來建立了原子序數(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)上和普朗克及愛因斯坦的量子理論聯(lián)系起來，構(gòu)建了電子分布的波爾模型。
科學(xué)家們通過不斷的實驗研究，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，整個院子被認(rèn)為是一個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)。但是總的來說，科學(xué)家在研究原子的過程中，最顯著的成就就是證明了原子是一個帶有兩種等量異號電荷的粒子。
二、原子帶有兩種等量異號電荷的實驗支持
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，整個原子對外呈現(xiàn)電中性，由此，原子被認(rèn)為是一個不帶有電荷的粒子。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個正電荷＋核外電子所帶的x個負(fù)電荷＝原子帶有O個電荷�！ �
針對上面的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可能有人會問，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個正電荷＋核外電子所帶的x個負(fù)電荷＝原子帶有２x個電荷。
對比上述兩種表達(dá)式，請問讀者覺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：原子雖然對外呈現(xiàn)電中性，但它是帶有兩種等量異號電荷的，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。以下列舉幾個實例來說明：
實驗1.真空二極管通電試驗。
實驗過程：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、電場力。當(dāng)對二極管進(jìn)行通電時，正極與負(fù)極之間不會因為存在距離、沒有靜電場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，使與其相連的電路成了通路。
實驗思考：我們該怎樣理解這個物理過程呢？通過實驗可以注意到：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，彼此間沒有靜電場，當(dāng)真空二極管接上電路的剎那間，整個電路顯示出通路，那么問題就產(chǎn)生了：正極與負(fù)極之間的空間是怎樣實現(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”，而這“靜電場”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。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，這就使得這種“疊加靜電場”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，但也無礙電路的聯(lián)通。
實驗2.真空平行板電容器通電試驗。
實驗過程：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。實現(xiàn)了電路的聯(lián)通。
實驗思考：在真空平行板電容器的通電試驗其原理和真空二極管是一樣的，都是在并無聯(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而使電路聯(lián)通。通過真空平行板電容器和真空二極管的通電試驗，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，正是這種靜電場的存在使得正極負(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。
實驗3.電磁場產(chǎn)生的原因?qū)Ρ确治觥?br />
實驗過程：對由放電產(chǎn)生磁場產(chǎn)生的幾種形式實驗。
形式（1）平行板電容器充電、放電時，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)的靜電場存在的空間里，產(chǎn)生了磁場，簡言之，充電、放電的平行板電容器內(nèi)產(chǎn)生磁場。
形式（2）羅蘭實驗。羅蘭把大量的電荷加在橡膠盤上，然后使盤繞軸高速轉(zhuǎn)動，實驗發(fā)現(xiàn)，在通過橡膠盤上的電荷激發(fā)的靜電場存在的空間里，產(chǎn)生了磁場。
形式（3）羅蘭實驗的翻版。如果把大量的電荷加在一整條較長的閉合銅線上，然后迫使帶電銅線在兩個由絕緣體構(gòu)成的定滑輪的牽引下作高速的移動。實驗發(fā)現(xiàn)，在由銅線上的電荷激發(fā)的靜電場存在的空間里，產(chǎn)生了磁場。
形式（4）當(dāng)一根閉合銅線里有電流通過時，在銅線的周圍空間里產(chǎn)生了磁場。
對比一下形式（3）與形式（4）里的兩根銅線，我們會發(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，后者載流借助電場力），同樣會在銅線的周圍空間里產(chǎn)生磁場。唯一的不同點(diǎn)在于：對于帶有電荷的銅線而言，磁場產(chǎn)生于（由銅線上的電荷激發(fā)的）靜電場存在的空間里，對于不帶有電荷的銅線，磁場則產(chǎn)生于銅線（沒有靜電場存在）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，那么在形式（3）與形式（4）中所產(chǎn)生的兩種磁場的形式也就得到了統(tǒng)一。
實驗思考：對于實驗3的對比思考，我們可以做如下概述：先有電荷或帶電體的存在，然后才有靜電場的存在；先有靜電場的存在，然后才有磁場的存在。也就是說在電荷或者帶電體存在的前提下，才會激發(fā)靜電場的存在，繼而激發(fā)磁場的存在。如果沒有電荷或者帶電體的存在，那么靜電場和磁場是無論如何也不能出現(xiàn)的。可以看出，電荷或帶電體的存在時激發(fā)磁場存在的必要條件。
實驗4：金剛石的單質(zhì)絕緣體的電極化。
實驗過程：把一塊由大量的碳原子構(gòu)成金剛石放入較強(qiáng)的電場中，金剛石內(nèi)部的每個碳原子則會形成一個個電偶極子，最簡單的一個電偶極子為由一個質(zhì)子和一個電子所構(gòu)成的原子系統(tǒng)，也就是氫原子。這時，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——電場力來維持；而鐵礦石、磁石帶磁，則可以借助內(nèi)應(yīng)力——分子間作用力來維持！
以上的四個實驗，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。
另外，從實驗里還發(fā)現(xiàn)：原子在電場、磁場中會受到電場力、磁場力的作用。以氫原子為例，原子在電場中的受力情況如下：把一個氫原子沿著垂直于電場線方向射入勻強(qiáng)電場中，氫原子在此電場中只受到電場力的作用，此時帶正電荷的質(zhì)子受到與電場線方向相同的力，帶負(fù)電荷的電子受到與方向相反的力，受力分別為F+、F-，這兩個力大小相等，方向相反，并且作用在同一條直線上，這時氫原子處于二力平衡的狀態(tài)，在電場力的作用下，氫原子按照射入電場的速度做勻速直線運(yùn)動。原子在磁場中受力情況如下：當(dāng)把一個氫原子沿著垂直于磁場的方向上射入場強(qiáng)較小的磁場時，氫原子里的質(zhì)子、電子將受到磁場力的作用，受力分別為F+、F-，這兩個力大小相等，方向相反，且作用在同一條直線上。此時，這兩個力作用在氫原子上，處于二力平衡狀態(tài)，氫原子在磁場力的作用下，將不會產(chǎn)生運(yùn)動。
三、原子帶有兩種等量異號電荷的總結(jié)思考
當(dāng)原子帶有兩種等量異號電荷這個觀點(diǎn)被實驗所證實，這將會對現(xiàn)有的電磁學(xué)體系產(chǎn)生重大的促進(jìn)作用，也會對物理學(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，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。
我們知道，靜電場是有源電場， 高斯定理告訴我們，在一個封閉的曲面，靜電場在電場線穿出曲面的條數(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。同時靜電場也是保守立場，有點(diǎn)類似于我們非常熟悉的生活中的重力場，故在靜電場中引入電勢差來描述將單位正電荷從一點(diǎn)移動到其他點(diǎn)的過程中電場力對其做功的值。在上述試驗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，可以說靜電場的存在對于實驗過程和生活實際應(yīng)用來說具有極其重要的作用和意義。
2.原子帶有兩種等量異號電荷，原子在電場、磁場中受到電場力，磁場力的作用而不產(chǎn)生運(yùn)動。這表明，判斷一個粒子是否帶有電荷，不能以“這個粒子能否在電場、磁場中產(chǎn)生運(yùn)動”為唯一標(biāo)準(zhǔn)。
以往的經(jīng)典理論將某一粒子能在電場、磁場中運(yùn)動作為判斷粒子是否帶有電荷的唯一標(biāo)準(zhǔn)，從上述試驗中可以得出，原子在電場、磁場中受到電場力、磁場力的作用而不產(chǎn)生運(yùn)動，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)一步加以實驗證明。
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，電磁波在這種媒介“疊加靜電場”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。在上述試驗中我們得出，原子帶有兩種等量異號電荷，同時也推斷出宏觀物體的周圍空間確實存在著正電荷與負(fù)電荷各自激發(fā)的疊加靜電場，所以我們可以說，電磁波是在這種疊加靜電場的媒介中傳播的。
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，使得電磁力與萬有引力之間具備統(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，這種靜電場的性質(zhì)卻并不是非常明顯。萬有引力是任何有質(zhì)量的物體之間的相互吸引力，對于質(zhì)量和體積較小的微粒來說，萬有引力并不明顯，但對于較大的物體來說，其作用是相當(dāng)明顯。電磁力是帶電粒子通過電磁場傳遞的相互作用，帶電體各個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。疊加靜電場的存在，使電磁力和萬有引力之間具備了統(tǒng)一的可能性，究其根本就是來源于宇宙的根本原則——平衡趨勢，正是由于平衡趨勢，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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