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原子帶有兩種等量異號電荷的理論依據和實驗支持
摘要：原子是構成物質的基本單位，在科學的不斷發展過程中，人們對原子有著越來越深刻的理解和認識。原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，兩者達到能量平衡是學界的一個基本常識，然而原子是否帶有兩種等量異號電荷呢？本文就此論點在現實試驗中如何可以證明及其實踐意義做出探討和研究。
關鍵詞：原子 等量異號電荷 靜電場
眾所周知，原子是化學變化中的最小微粒，并且在化學反應中不可分割。原子由質子、電子、中子組成。原子的質量非常小，并且其質量幾乎全部集中在原子核部分。原子核外是電子，電子分布于穩定的軌道之中。原子在古希臘時期被用于哲學本體意義上的抽象概念，在后來人們認識的不斷發展過程中，逐步演變成為科學的理論。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是由分子和原子構成的，他們對原子和電子的認識是一個漸進的過程，而認識到原子帶有兩種等量異號電荷的理論也是由無數科學家經過長期、艱辛的實驗才得出結論。
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，科學家對原子的理解有了更深層次的發展。1803年，英國自然學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出整數倍的反應，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為原子便是物質的唯一構成單位，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，英國植物學家布朗在觀察水面上的灰塵時，發現了灰塵在進行著不規則的運動，這就證明了微粒學說，這種現象被稱為布朗運動。布朗運動的發現，為進一步證實原子可以再分奠定了基礎。
1897年湯姆生在研究陰極射線的工作中，發現了電子，并且并測量出電子的荷質比。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電荷相互抵消，這湯姆生的構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、電子的發現，從根本意義上糾正了原子不可再分的實心球模型，開創了原子研究的新篇章。
在湯姆生之后，關于原子的研究不斷取得發展。英國物理學家盧瑟福指出原子有核，且大部分原子質量和正電荷都存在于原子核中，電子是圍繞原子核運動的；英國物理學家莫塞來建立了原子序數的概念；湯姆生發現了同位素；拉塞福發現質子，進一步證明原子核可分；不久英國物理學家扎的維克發現了中子；波爾在盧瑟福模型的基礎上和普朗克及愛因斯坦的量子理論聯系起來，構建了電子分布的波爾模型。
科學家們通過不斷的實驗研究，一步步證明了原子可分，原子由質子、中子、電子組成，原子核帶有正電，核外電子帶負電，整個院子被認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現了原子核內質子數決定元素的種類，質子數和中子數決定元素的原子量，最外層電子數目決定元素的化學性質，核外電子層排布規律等特點。但是總的來說，科學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成，原子核帶有正電荷，核外電子帶有負電荷，原子核所帶的正電荷數量與核外電子所帶的負電荷數量相等，整個原子對外呈現電中性，由此，原子被認為是一個不帶有電荷的粒子。根據以上理論，可以理解其數學表達式為：
原子核所帶的x個正電荷＋核外電子所帶的x個負電荷＝原子帶有O個電荷�！ �
針對上面的數學表達式，可能有人會問，既然原子既有帶正電的原子核，又有帶負電的核外電子，且兩者并存，那原子的表達式是否應該是：
原子核所帶的x個正電荷＋核外電子所帶的x個負電荷＝原子帶有２x個電荷。
對比上述兩種表達式，請問讀者覺得哪一種更符合邏輯呢？在電磁世界里，有許多種現象反映出：原子雖然對外呈現電中性，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的正電荷與負電荷各自激發的疊加靜電場。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，正極與負極相隔一定距離，其間并不存在由正極、負極產生的靜電場、電場力。當對二極管進行通電時，正極與負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，正極與負極是存在距離的，且在通電之前，彼此間沒有靜電場，當真空二極管接上電路的剎那間，整個電路顯示出通路，那么問題就產生了：正極與負極之間的空間是怎樣實現電路聯通的呢？設想：在真空二極管接入電路之前，正極與負極之間的空間存在某種“靜電場”，而這“靜電場”則是由正極、負極材料里原子中的正電荷和負電荷各自產生的疊加靜電場。那么當真空二極管接入電路之后，由于正極與負極之間的空間存在著不顯靜電性質的疊加靜電場，這就使得這種“疊加靜電場”構起了連接正極與負極之間的一座橋梁。由此可知，即使正極與負極相隔一定距離，但也無礙電路的聯通。
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，正極板與負極板相隔一定距離，在接入電路的一瞬間，正極板與負極板之間建立了電場。實現了電路的聯通。
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，都是在并無聯通設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、負極之間存在著由正電荷、負電荷產生的疊加靜電場，正是這種靜電場的存在使得正極負極相連接，才有了電路的聯通。這種現象和思考值得我們深入研究。
實驗3.電磁場產生的原因對比分析。
實驗過程：對由放電產生磁場產生的幾種形式實驗。
形式（1）平行板電容器充電、放電時，我們可以發現，在由兩極板上的正電荷、負電荷激發的靜電場存在的空間里，產生了磁場，簡言之，充電、放電的平行板電容器內產生磁場。
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動，實驗發現，在通過橡膠盤上的電荷激發的靜電場存在的空間里，產生了磁場。
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成的定滑輪的牽引下作高速的移動。實驗發現，在由銅線上的電荷激發的靜電場存在的空間里，產生了磁場。
形式（4）當一根閉合銅線里有電流通過時，在銅線的周圍空間里產生了磁場。
對比一下形式（3）與形式（4）里的兩根銅線，我們會發現，它們是有共同點的：同樣是一根載流銅線（前者載流借助機械力，后者載流借助電場力），同樣會在銅線的周圍空間里產生磁場。唯一的不同點在于：對于帶有電荷的銅線而言，磁場產生于（由銅線上的電荷激發的）靜電場存在的空間里，對于不帶有電荷的銅線，磁場則產生于銅線（沒有靜電場存在）的周圍空間里。在形式（4）里，如果設想在這根（內部通有電流的）銅線的周圍空間里，存在著（由銅線里原子中的正電荷與負電荷各自產生的）疊加靜電場，那么在形式（3）與形式（4）中所產生的兩種磁場的形式也就得到了統一。
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，才會激發靜電場的存在，繼而激發磁場的存在。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的。可以看出，電荷或帶電體的存在時激發磁場存在的必要條件。
實驗4：金剛石的單質絕緣體的電極化。
實驗過程：把一塊由大量的碳原子構成金剛石放入較強的電場中，金剛石內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子和一個電子所構成的原子系統，也就是氫原子。這時，由大量整齊排列的電偶極子（碳原子）所構成的金剛石在其兩表面將分別產生等量的正負電荷。整個金剛石也呈現出中性的不帶電屬性�？芍饎偸瘞щ姡枰柚鈶�——電場力來維持；而鐵礦石、磁石帶磁，則可以借助內應力——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極之間存在距離的情況下聯通電路，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的正電荷與負電荷通電后各自激發的疊加靜電場�！�
另外，從實驗里還發現：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，此時帶正電荷的質子受到與電場線方向相同的力，帶負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，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動。原子在磁場中受力情況如下：當把一個氫原子沿著垂直于磁場的方向上射入場強較小的磁場時，氫原子里的質子、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，氫原子在磁場力的作用下，將不會產生運動。
三、原子帶有兩種等量異號電荷的總結思考
當原子帶有兩種等量異號電荷這個觀點被實驗所證實，這將會對現有的電磁學體系產生重大的促進作用，也會對物理學的發展產生重要的意義�！ �
1.因原子帶有兩種等量異號電荷，則由大量原子間接構成的宏觀物體相應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電荷各自激發的疊加靜電場，則宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子內的正電荷與負電荷各自激發的疊加靜電場。
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與穿進曲面的條數之差正比于該區面內所包含電荷電量的代數和。同時靜電場也是保守立場，有點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移動到其他點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電荷各自激發的疊加靜電場的結論，因而推及宏觀物體的周圍空間存在著由物體里原子內的正電荷與負電荷各自激發的疊加靜電場，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生運動。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、磁場中產生運動”為唯一標準。
以往的經典理論將某一粒子能在電場、磁場中運動作為判斷粒子是否帶有電荷的唯一標準，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生運動，從這一結果就可以證明，經典理論中的標準并不是唯一的，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電荷各自激發的疊加靜電場，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電荷各自激發的疊加靜電場，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不明顯的疊加靜電場，使得電磁力與萬有引力之間具備統一的可能性。
宏觀物體的周圍存在著由正負電荷激發的疊加靜電場，這種靜電場的性質卻并不是非常明顯。萬有引力是任何有質量的物體之間的相互吸引力，對于質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，產生了帶有方向性質的力。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，使得物質的本源不斷地進行著循環和變化。
參考文獻：
[1]沈澤智.論多原子分子極性的判斷（J）.科技教育.2008.9
[2]張必祥.原子結構與元素性質的關系（J）.化學輔導.2006
[3]曾永志 馬靖.對應性原理和波爾原子模型（J）.物理與工程.2008.1
[4]張小釗 王偉群 莊浩.體驗科學家的思維歷程（J）.教學設計.2007.4
[5]陳熙謀.微觀粒子的二象性（J）.自學之友.2004
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