氢原子与中子有什么不同？

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本题暗示：氢原子(¹₁H)与中子(n)皆由质子与电子(p⁺+e⁻)构成。

但笔者猜。以下几个参量是不同的：①质量构成。②能量构成。③密度分布特征。④电子行为。⑤场量子行为。

本题值得探讨。但没有很好理论支撑。故笔者将一如既往给出原创的新视野。

▲氢原子的两种精细结构。1. 关于粒子的质量守恒问题

若按标准粒子模型。由于：①中子(n)=质子(p)+电子(e)+反中微子(ve')。②质子(938M)=夸克环(9.6M)+胶子(g,0)+缪子(105.7M)。

其中。M是质量单位MeV/c²的简写。质子质量938M。夸克环质量9.6M。胶子质量为0。缪子质量为105.7M。

据说。这涉及W±/Z0乃至H希格斯玻色子。这些需要大型强子对撞机(LHC)撞出来。

可是。即使这样也依然解释不了质量守恒的困惑。有人说。微观世界不服从守恒定律。

2. 新视野：场介质也要参与密度分布

新视野认为。实体的内外空间。不是绝对虚无的。而是有特定密度的场介质（简称场）。

无论内场还是外场。都是吸能·载波·传力的载体。内空间是高密场。外空间是低密场。

实体的内场密度。简称内密度。对应内质量。实体的外场密度。简称外密度。对应外质量。

较近的外密度。简称近密度。对应近质量。较远的外密度。简称远密度。对应远质量。

通常。大粒子的内密度比小粒子的小很多。例如。原子的内密度远远小于核子内密度。

通常。大天体的近密度比小天体的大很多。例如。太阳的近密度远远大于地球近密度。

通常。微观粒子的内密度远大于宏观实体的内密度。例如。电子内密度>>地球内密度。电子内密度<<质子内密度。

由于核子的内密度很大。远远大于缪子质量。在微观世界。场介质（或玻色子）的质量贡献远大于夸克与缪子等费米子的质量贡献。

3. 两类指标：场介质密度、场量子参量

研究表明：电子的内部没有更小的粒子。电子是纯净的场介质。电子质量≡电子内质量。

定理1：电子的内质量=1个场量子的固有质量。即：电子质量(m₀)≡场量子质量。

按电子的经典半径r=2.82费米。可计算：电子密度=电子内密度。即：

ρ(e)=m₀/4.2r³...(1)

定理2：电子光速自旋而超稳定。固有的电子自旋势能≡场量子自旋势能：

m₀c²=hc/λ*...(2)

λ*=2.42皮米。是场量子最短波长。普朗克常数可定义为：

h=m₀cλ*...(3)

=6.63×10⁻³⁴J/Hz

定理3：正负电子。分别加速到光速即碰撞。就急遽膨胀为正负场量子：

½m₀c²=hc/λ₀...(4)

λ₀=4.85皮米。是场量子被激发为光子的最短波长。光子最小半径为：

r₀=λ₀/2π=0.39皮米...(5)

定理4：场量子自旋势能是固有的。只考虑被电子激发的光子辐射能：

eU=½m₀v²=hc/λ...(6)

其中。① U是对电子的加速电压。有：电子被加速到速度：

v=√(2eU/m₀)...(7)

② 电子扰动场量子。场量子被激发的光子波长：

λ=hc/eU=2hc/m₀v²...(8)

4. 氢原子与中子内空间的场介质参量

4.1 氢原子的质量方程

定义：实体动能(½mv²)总要扰动真空场。进而产生的质量增量简称质增量 (m')。场介质的相关参数。本文用撇号“'”加以区别。

依据实量子激发的场效应方程：

½mv²=(m/m₀)hc/λ...(9)

可求：

①光子半径：r'=λ/2π=2hc/m₀v²

②光子体积：V'=4.2r'³=4.2(2hc/m₀v²)³

③光子密度：ρ'=m₀/4.2r'³

④场体积：V=4.2R'³。

⑤质增量：m'=Vρ'=(R'³/r'³)m₀...(10)

氢原子的质量方程。是指氢原子质量(m)=亚原子质量(e,p)+内空间的质增量(m')。即：

m=e[m₀]+p[1836m₀]+m'[m₀R'/r'³]...(11)

=(1837+R'³/r³)m₀

说明：方程(11)中的质增量m'的推导过程有点复杂。详见本文第5章 氢原子的质增方程。

4.2 为什么要提出“质增量”这个新概念？

理由1：根据万有引力定律。F=GMm/R²。当引力不变时。质量乘积效应(Mm)与场半径乘积效应(RR)成正比。

这意味着：实介质的惯性质量与场介质的引力质量是超对称的对等关系。由此可估算场半径。

理由2：大体积粒子如原子。质增量可以忽略。但是。对于小体积如核子。质增量比较突出。

4.3 氢原子的已知参量：

① 核外电子绕核的平均速度。也叫核外电子基态速度或主控速度：

v=αc=2.2×10⁶m/s。

② 氢原子的经典半径。也是核外电子的平均轨道半径：

R=5.29×10⁻¹¹m。

③ 以电子质量单位表示的亚原子质量

电子质量：m₀=9.11×10⁻³¹kg。

质子质量：m(p)=1836m₀。

中子质量：m(n)=1840m₀

5 氢原子的质增方程

这里的质增方程。特指氢原子的亚原子动能激发场效应叠加的质增量。

氢原子内部亚原子动能引起的质增量包括三个部分：核外电子的、原子核的、核内电子的。

5.1 核外电子轨道动能(Ek₁)的相关参量

电子轨道动能：Ek₁=½m₀v₁²=hc/λ₁。

电子的质增量：m'₁=m₀R'³/r'₁³。

电子轨道速度：v₁≈2200km/s。

电子激发光子的波长：λ₁=2hc/m₀v₁²

=1.98×10⁻⁷[m]=19.8nm

电子激发的光子半径：r'₁=λ₁/2π

=3.15×10⁻⁸[m]=0.315nm

5.2 原子核震荡动能(Ek₂)的相关参量

核子震荡动能：Ek₂=½m₂v₂²=(m₂/m₀)hc/λ₂

核子的质增量：m'₂=m₀R'³/r'₂³。

核子震荡速度：v₂≈1.2km/s。

核子激发的光子波长：λ₂=2hc/m₀v₂²

=2.9×10⁻²[m]=29[mm]

核子激发的光子半径：r'₁=λ₁/2π=4.6[mm]

5.3 核内电子轨道动能(Ek₃)的相关参量：

核内电子轨道动能：½m₀c²=hc/λ₃。

核内电子的质增量：m'₃=m₀R'³/r'₃³。

核内电子震荡速度：v₃=c

核内电子激发的光子波长：λ₃=2h/m₀c

=4.85×10⁻¹²[m]=4.85[pm]

核内电子激发的光子半径：r'₃=λ₃/2π

=0.39×10⁻¹²[m]=0.39[pm]

5.4 氢原子内部亚原子叠加的质增方程

① 完整的质增方程：

m'=m'₁+m'₂+m'₃

=(1/r'₁³+1/r'₂³+1/r'₃³)R'³m₀...(12)

≈m₀R'³/r'₃³

② 简化的质增方程（去掉复杂上下标）

m'=m₀R³/r³...(13)

=9.11×10⁻³¹×(5.29×10⁻¹¹)³/(0.39×10⁻¹²)³

=2.3×10⁻²⁴[kg]=1.29×10⁶M=1290[G]

此值接近希格斯子质量H=125~1250G（早期公布的定义域）。误差有两个可能：要么氢原子半径R偏小。要么质子半径r偏小。

希格斯玻色子在‘希格斯场能’中充当能量的载体。希格斯粒子的‘波动’它的玻色子行为可以是‘波动的载力’。可以是‘耦合粒子的能值’。可以是‘超对称粒子’的质能携带。希格斯的质量场‘希格斯机制’是在极端粒子物理的环境反应出‘空间时间’的粒子质量可测量的存在。希格斯新粒子需要‘各种对撞机’从新探索发现。希格斯实粒子也是未来‘新材料’的基础应用。如-光粒子量子计算机的硬件芯制备。

5.5 调整氢原子的核子半径

如果实验结果所依据的理论没毛病（权且退让一步）。可令质增方程(13)的m'=125G。反求核外电子的轨道半径(R)或质子半径(r)：

令：m'=m₀R³/r³=125GeV/c²

若r不错。则调整R。有：

R=³√(244.6×10⁶)·r

=624×(0.39×10⁻¹²)

=2.43×10⁻¹⁰[m]=243pm

此值是经典半径53pm的4.6倍。

若R不错。则调整r。有：

r=R/³√(244.6×10⁶)

=5.29×10⁻¹¹÷624=8.5fm

据有关资料称。质子实验半径为8.3~8.7fm。

看来。质子理论半径r=8.5费米。满足氢原子的经典半径53pm。贴近质子实验半径8.4fm。还满足希格斯子实验质量125G。

调整核内电子所适用的库仑定律

笔者本以为。库仑定律既适合核外电子与核电荷之间的相互作用。也适合核内电子与繆核之间的相互作用。而且尤其根据原子核的β衰变所释放的光电子速度为光速。推定核内电子的震荡速度也是光速。进而推算出质子的理论半径为5.63费米。推导过程如下：

由于高能电子的向心力。来自核子内部电荷之间的电磁力。有：½m₀c²=ke²/r。可求质子半径：r=2ke²/m₀c²=5.63费米。

但是。直接用库仑定律推导质子的理论半径与质子的实验半径、希格斯子的实验质量出入较大。

因此不妨赋予库仑定律修正系数k'。k'也叫质子的无量纲质增系数。可令R=8.5费米。则有：

½m₀c²=k'ke²/r...(14)

k'=8.5÷5.63≈1.5...(15)

根据中子衰变方程n→e+p+νe可以认为。中子内部的电子电荷与质子电荷之间的作用力。适合带质增系数的库仑定律：

中子内部的库仑力。不妨是弱核力：

F'=k'ke²/r²...(16)

相应的电磁辐射能：

E'=k'ke²/r=½m₀c²=hc/λ'...(17)

结语

氢原子与中子的联系与区别如下：

联系：各自的亚原子成分大体上是一致的。在超高温高压条件下。氢原子可以缩聚成中子。各自的质量方程如下：

氢原子=核外电子+约束质子+质增量。即：

¹₁H≈e(m₀)+p(1836m₀)+m'(125G)

中子=核内电子+约束质子+质增量。即：

¹₀n≈e±(2m₀)+p(1836m₀)+m'(125G)

区别：氢原子非常稳定。核外电子的主控速度是v=αc。服从库仑定律。场效应方程是

½m₀v²=ke²/R=hc/λ

中子很不稳定。核内电子的主控速度v=c。库仑定律质增系数k'=1.5。场效应方程是

½m₀c²=k'ke²/r=hc/λ

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其他观点：

氢原子有几种：氢、氘、氚。氢原子是氢原子核。只有一个质子的氢核。外加一个电子绕其运动。氘是一个中子和一个质子组成的原子核。外加一个电子绕其运动。氚是二个中子和一个质子组成的原子核。外加一个电子绕其运动。

中子是比质子质量大一个电子的核子。目前观点认为。中子是一个质子吸收了一个电子变成的。质子、电子自由状态下几乎不衰变。有人测量后估计质子的半衰期是10^35年。电子没人测过。但应该更稳定。半衰期更长。但中子在自由状态(不在原子核里。也不是中子堆垒成中子星物质)。其半衰期只有十几分钟。

从质量上讲。一个中子与一个氢原子质量一样大。但两者时空拓扑结构完全不同。氢原子是一个电子围绕质子运动。形成氢原子能级结构；而一个中子也是电子围绕质子运动。但形成的是核子能级结构。

一个氢原子进行拓扑变换。发生的是化学反应。放出的是可见光能量级别的化学能；一个中子进行拓扑变换。发生的是核反应。放出的是伽玛射线能量级别的核能。

由此可见。同样质量的实物粒子。可以形成不同的时空拓扑结构。所“裹挟”的时空能量不同、信息量也不一样。所以。从某种意义上讲。物质与时空不可分离；能量是物质所“裹挟”的“时空拓扑含量”的多少；光子就是“时空拓扑含量”的“换算子”。

目前看。同质量物质可形成不同的完备、自洽、守恒的时空拓扑子集。明显的有几个拓扑子集：夸克拓扑子集、核子(质子、中子)拓扑子集、原子拓扑子集、星系拓扑子集、中子星、黑洞拓扑子集。这里由原子到星系这个跨度的时空不能形成完备的时空拓扑。

未来制造新材料的一个方向。就是在原子拓扑子集上。使其能级宽度压缩一个数量级。这样将构造出新的、密度更大的时空拓扑子集。将使物质密度提升1000倍。物质的强度将自然提升1000倍以上。这样才能满足未来的星际探索要求。

其他观点：

一种氢气体提取物质最小单位；

宇宙各种元素条件具备皆中子。

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