罗教明 四川大学生物材料工程研究中心 国家生物医学材料工程技术研究中心

Presentation on theme: "罗教明 四川大学生物材料工程研究中心 国家生物医学材料工程技术研究中心"— Presentation transcript:

1 罗教明 四川大学生物材料工程研究中心 国家生物医学材料工程技术研究中心 JMLuo@scu.edu.cn
物质原子分子结构的电磁学理论 罗教明 四川大学生物材料工程研究中心 国家生物医学材料工程技术研究中心 Engineering Research Center in Biomaterials, SCU. National Engineering Research Center in Biomaterials, China

2 背景与意义 量子力学描述 量子力学的成功最主要地表现 多个版本：波动力学、矩阵力学、算符理论； 数学描述等价，可以互推；
核心思想：量子化、波粒二像性、测不准等； 解释多样性：几率波、多世界等； 量子力学的成功最主要地表现 通过薜定谔方程可以对原子、分子结构与光谱辐射进行精确解释； 光谱辐射是原子分子结构变化的结果； 薜定谔方程、矩阵力学等是结构变化的正确数学描述；

3 背景与意义 神秘性或矛盾：除已有的问题外，还包括：
逻辑问题：按物质波几率解释，理论坐标系（质子或质心坐标系）相对于实验室是随机运动的，因此实验数据与理论计算结果存在随机关系，不具有可比性。结论：量子力学的理论结果与实验结果不具有确定的逻辑关系，其正确性不能由实验数据证明； 因果性：物质波描述的粒子运动及解释否定了自然的因果决定性； 事实证明：无论是在宏观还是在微观领域，带电粒子在场中运动可以有轨迹运动，并受洛伦兹力的控制，量子力学不能对这个事实进行描述，即，量子力学对客观的事实不能做出全面的解释。

4 氢原子电磁学模型 原子湮灭存在悖论： 电子和质子绕质心运动两体行星模型
非相对论性运动情况下，加速运动电荷的辐射取决于加速度，运动的任意性会导致能量守恒定律的失效； 带电粒子的辐射经典理论须再认识 电子和质子绕质心运动两体行星模型 作用力：洛伦兹力（包括辐射反作用力） 可单体化为电子在质子作用下的中心力场模型， 电子质量用有效质量替代、坐标为相对坐标

5 氢原子的自发电磁辐射与反作用力 质心系中运动带电粒子两体电磁相互作用； 经典的电磁定律； 光子：完全自约束（自箍）的位移电流。
运动电荷的相互作用与电流元 质心系中运动带电粒子两体电磁相互作用； 经典的电磁定律； 光子：完全自约束（自箍）的位移电流。 两个变化的电流元； 辐射反作用力，取决于磁场力的变化率，两者是直接相关的；

6 氢原子电磁辐射耦合与基态 电子与质子电磁辐射的耦合平衡, r=a0； r＞a0，电磁辐射； r＜a0，电磁排斥。
符合并解释了原子结构的能量最低原理。 因此，r=a0是氢原子自然的稳定状态，是由电磁现象决定的。

7 ∇2u(x, y, z) + (4π2μ / h2 )2T*u(x, y, z) = 0
氢原子共振与驻波方程 结构体的共振是自然界的普遍现象，基态氢子的轨道结构也可以产生共振； 共振方程可用驻波的方法表达与求解 参照拉紧弦共振的驻波方程，考虑静电相互作用，可以得出圆形封闭轨道的驻波方程： ∇2u(x, y, z) + (4π2μ / h2 )2T*u(x, y, z) = 0 并且 λ = h / P，E=hυ   其中：h = e(μπr / ε0)1/2

8 氢原子定态薛定谔方程 基态轨道作为基准，高阶共振轨道的频率是基态频率和自然数的函数，轨道半径也有相应的关系，共振驻波方程可以变换为
∇2u(x, y, z) + (8π2μ / h2 )(E − V)u(x, y, z) = 0 并且：E = −hυ 其中：h = e(πa0μ / ε0)1/2，代入相关数据计算，可得： h = × 10−34 JS  

9 氢原子光谱与普朗克量子假设 因此，薜定谔方程、普朗克假设可以理解为基态轨道共振用驻波形式表达的物理量的数学关系方程。
外界周期场作用时，基态轨道会发生变化，包括变形、极化、漂移等，也可以引发轨道的共振响应，使得氢原子处于高能量状态； 当外界作用消失，高能状态的氢原子会由于电磁辐射而回复到基态，这一过程是适合能量最低原理要求的。

10 氢原子光谱与普朗克量子假设

11 氢原子光谱与普朗克量子假设

12 氢原子光谱与普朗克量子假设 方程组给出了基态轨道向高阶具有“驻波节点”性质（圆形轨道）共振跃迁满足的数学关系，可以称之为主振。
通过定态薛定谔方程单独求解，可以给出满足共振条件，即轨道封闭原则的更多解答，包括主振动轨道叠加的次振动，以及外界场叠加作用下的振动模态，这有助于理解，波函数中量子数n,l,m的物理含义，以及轨道、自旋及外场产生耦合，对能量和频率必须进行修正计算的物理机理。

13 氢原子光谱精细结构Zeeman与Stark效应
质心坐标系是描述氢原子中两体运动的正确坐标系，电子和质子的轨道运动产生的磁矩 电子与质子的稳定轨道运动必须满足封闭原则，即经过一个周期的运动，电子与质子必须回到最初的状态，电子与质子绕质心面对面运动一周后，在质心坐标系中观察，它们也自转了一周。因此电子自转是轨道周期性运动的必然要求，是内禀性的。自转产生的磁矩也会与外场产生相互作用，同时也会有平行与反平行两种结果。可以与外场是平行与反平行两种状态

14 外场的影响 当外场的作用只是导致氢原子产生共振时，氢原子中的电子和质子通过共振吸收外场的能量，轨道从基态跃迁到高能态的本征轨道，这个过程中轨道运动辐射的能量由外场弥充，由于轨道与自转磁矩有两种取向，因此高能本征轨道会有两条，当外场消失后，氢原子通过自发辐射，从高能态降到低能态，最终回到基态。这就是氢原子光谱及其精细结构产生的原因； 当外场（带电粒子碰撞、外加强磁场或电场）不仅导致了轨道共振，同时也对本征轨道产生了影响，轨道磁矩与相互作用将会导致最终最能共振轨道的变化或进一步的分裂，光谱实验中观察到的斯塔克（Stark）或塞曼（Zeeman）效应可以通过这种机制来解释。

15 复杂原子的电子壳层结构 目前量子力学是通过中心场模型近似处理多电子原子，用泡利不相容原理对电子壳层进行解释，对于电子间的相互作用和影响没有进一步的物理机制理解。 作为经典的轨道运动，复杂原子核外多电子运动的稳定结构，需要考虑电子辐射相互间的耦合产生的力学平衡，以及结构具有最低的能量状态，在同一轨道上运动的电子，受到原子核及其它电子形成的等效运动电荷的影响，会形成辐射耦合，并具有一定的耦合能量，使得同一轨道上的电子具有一定的稳定性。这种壳层耦合机制也可以用于解释中性原子可以俘获或者失去电子成为带电离子机理。

16 氢分子中的共价键 H1电子轨道在XZ平面内，与位于XY面内的H2电子轨道是正交的，两个轨道电子的辐射位移电流产生的磁矩作用为零；从平均等效的角度来看，可以视为平均分布着运动电荷的轨道相互作用，包括静电，以及运动电荷和辐射位移电流产生的静磁相互作用。

17 轨道杂化形成分子立体轨道 原子或分子要发生轨道变化，主要的途径是通过共振与外界交换能量来实现的。这是非常重要的机制，并且我认为是莱纳斯·鲍林引入共振结构式、轨道杂化等概念的物理基础，也是薛定谔方程能够计算光谱和化学结构问题的根本原因。因为薛定谔方程与量子假设E=hv本质上就是计算求解微观轨道共振的数学工具。另外，除力学平衡外，电子的辐射耦合平衡，不仅要在轨道上考虑，还应该在分子结构全局耦合来思考，有必要时，还必须考虑与背景能量的交换作用。因为材料的理化性质是与温度（环境能量）密切相关的，所以我们必须考虑原子间辐射交换，以及环境能量背景的影响。

18 结论 “我觉得，我们还未得要领，下一代人，他们一旦找到那个要领，就会拍拍脑袋说，他们过去怎么会想不到的呢？” —诺贝尔物理奖获得者拉法
 “电磁辐射耦合”与共振引发结构变化

19 结论 可以解决氢原子中的以下电磁学问题： 另外还可以通过”电磁辐射耦合“进一步理解以下机理： 氢原子有唯一的基态；
能量最低原理：由于自发电磁辐射，孤立的氢原子只能处于基态； 氢原子定态薛定谔方程和量子假设，通过氢原子基态共振模型，可以严格推导获得； 氢原子线光谱是基态轨道共振现象产生的，并符合差频原理Δν=ν1-ν0； 氢原子光谱的精细结构、Zeeman效应和Stark效应，可以通过轨道及其磁矩来解释等； 另外还可以通过”电磁辐射耦合“进一步理解以下机理： 多电子原子的电子壳层结构； 中性原子捕获电子成为带电离子； 原子相互作用中的化学键问题等。

20 谢谢！ Thanks for your attention!