核外电子运动的本质

核外电子运动的本质

内容摘要：带正电的原子核作不停地旋转，那么原子核不仅会产生电场，同时还会产生磁场，核

外电子在原子核产生的电场和磁场中绕核作高速运动，必然会受到原子核对它们的静电引力和洛

仑兹力的共同作用，静电引力必然向内，那么洛仑兹力就必然要向外，只有这样才能保证电子不

被原子核捕获。

当原子核的磁极固定后，由于洛仑兹力的方向必须向外，所以核外电子的运动方向就基本固定了。

在同一原子中，所有电子都基本朝着一个方向运动。在同一主层中， s轨道垂直切割磁力线运

动，其它轨道都与磁力线不垂直，并随着各亚层能量的增加与磁力线之间的夹角越来越小。

核外电子为了尽可能斥力最小，它们必然尽可能相距最远，所以同一轨道中的两个电子必然处在

原子核的两边。为了保持电子之间距离尽可能最远的状态，在同一主层中，甚至同一原子中所有

电子的平均运动角速度都相同。由于电子处在原子核产生的磁场中，所以同一原子中，所有电子

的自旋方向都基本相同。

关键词：原子、电子、原子核、电场、磁场、洛仑兹力、轨道、运动、自旋方向。

任何一种理论都有个逐步完善的过程，原子理论也是如此，它由汤姆逊的“西瓜模型”到长岗半

太郎的行行模型，由卢瑟福的核式结构模型到玻尔的圆形轨道，再由索未菲的椭圆轨道发展到现

在的原子理论。那么现在的原子理论是不是完美无缺了？不是，因为现在的原子理论仍有许多现

象无法解释，比方说，电子为什么不会被原子核捕获？同一主层中，各亚层上的电子为什么能量

相差很大？各亚层的轨道数为什么各不相同？为什么内层的一些电子也可以成键？所有这些问

题的存在说明，现在的原子理论并不完善，还有待于我们继续探讨研究，今天我就上述问题斗胆

提出一点自己的看法，以请教于大家。

一、疑问的产生

在原子中，原子核带正电，电子带负电，电子为何不会被原子核捕获？现在的各种观点都无法解

释阴极射线产生的高速电子射在阳极上并不会出现电子进入原子核的现象，因为这些电子并不作

圆周运动，有些甚至是直向原子核射去，这个现象说明，电子在靠近原子核时存在着一种我们尚

未发现的强大斥力，这就是引起我对现在原子理论感到不足的原因。

核外电子到底是像现在说的无规则绕核运动，还是有规则地绕核运动，我想用晏成和的一段话说

明这个问题。

几十年来教科书上写到：“物质在受热时原子核在作无规则的振动”；“核外电子总是在绕核作

无规则的高速旋转形成电子云” 。于是这些“无规则”就成了人类在刚刚探索到原子、电子时

就定下了微观物质（原子核和核外电子）的运动的基调。

但是,我们在宏观上面对的正是一个极有规则、极其精确的物质世界：大部分物质都有其固定的

熔点、沸点；相同的材料其强度、硬度、导电性能惊人的一致；晶体有规则雷同的结构；石英晶

体有非常准确的振荡频率。物质的特性是规律、精密、准确的。

由于有了以上无规则的基调，于是物质科学就形成了这么个怪圈：有规则的现象要用无规则的运

动来作解释；用无规则的微观运动去推导出有规则变化的动因。严谨求实的科学竟要在无中生有

中做文章，这样的科研无异于缘木求鱼。

规律必然源于且服从更深层的规律，物质世界中普遍的极具规律的现象不会是空穴来风，有规律

的现象必源于且服从更基础的有规律的运动。

我们完全有理由相信自然的物质运动（核外电子的运动）也必然会遵循自然的法则的，必定是极

具规律的。 （ 参考文献1）

以上是晏成和《物理新视点》中的一段话，这段话一针见血地说明了核外电子必然是有规律运动

的，晏成和用大量的事实证明了核外电子是有规律运动的，否定了核外电子无规则运动的错误观

点，本文正是描述了核外电子是如何有规律运动的，还核外电子运动的本来面目。

也许有人会说海森堡的测不准原理已被人们公认，电子运动轨迹是不可能准确描述的，那我们先

了解一下海森堡的测不准原理。

关于电子在核外的运动状态和位置，德国物理学家维尔纳〃海森堡在１９２７年断言说，这是不

可能做到的。一个测量器件只能小到这种程度：它可以小到同一个亚原子粒子一样小，但却不能

小于亚原子粒子。它所使用的能量可以小到等于一个能量子，但再小就不行了。然而，只要有一

个粒子和一个能量子就已经足以带来一定的变化了。即使你只不过为了看到某种东西而瞧它，你

也得靠从这个物体上弹回来的光子才能看到它，而这就已经使它发生变化了。 （ 参考文献2 ）

海森堡说的一点也不错，电子在核外的准确位置是用任何精密的仪器也测量不准的，但是我们不

能因为测量不准就说电子作无规则的运动，我们无法看到它如何运动，不等于我们无法认识它如

何运动，更不能胡乱猜测。虽然测不准，但我们完全可以根据电子的特性和有关的电磁知识推出

它们是如何运动的。

二、电子所受的力

我们要想知道电子所受的力，首先必须搞清原子中存在的场。由于原子核具有一定的质量，带有

一定的电量，又在作不停的旋转，所以在原子中由原子核产生的场就有重力场，电场和磁场。又

因电子具有一定的质量，带有一定的电量，还在不停地绕核运动，所以原子核对电子的作用力就

有万有引力、静电引力和洛仑兹力。由于万有引力很小，可以忽略，静电引力是向内的，那么洛

仑兹力就应该是向外的，否则电子就会被原子核捕获，如图１。

另外，电子还受着电子之间的相互斥力和电子绕核运动产生的离心力，电子之间的相互斥力有的

向内，有的向外，这不可能是电子无法被原子核捕获的原因。离心力虽然向外，因为电子的质量

很小，它不可能很大，更因它不能解释阴极射线不能被阳极上原子核捕获的现象，所以离心力绝

不是向外的主要力，也许你认为原子核产生的磁场很弱，如果原子核产生的磁场很弱，电子在发

生能级跳迁时怎么会产生电磁波，由此可以看出，电子所受的向外的主要作用力一定是洛仑兹

力。

三、电子受的向外的主要作用力是洛仑兹力的证据

核外电子受的向外的主要作用力是洛仑兹力的观点是否正确，那就要看它是否与事实相符。

１、电子不能被原子核捕获的原因

电子为什么不能被原子核捕获，这是因为原子核具有很强的磁场，电子在磁场中运动必然会受到

洛仑兹力的作用，洛仑兹力的方向因总是与电荷的运动方向垂直，如果有一个电子在绕核运动时

产生的洛仑兹力是向内的，如图2中的第一个图，那么这个电子在洛仑兹力和核对它的静电引力

的共同作用下必然会向内运动，当电子在向内运动时，洛仑兹力的方向已发生了改变，洛仑兹力

方向的改变又导致了电子运动方向的改变，直至洛仑兹力的方向向外为止，这时向外的洛仑兹力

和向内的静电引力达到平衡，电子的运动方向就不再发生改变，因此，不论电子开始是朝原子的

哪个方向运动，最终电子的运动方向都会变成洛仑兹力向外的方式，如图 2中的第二个图和第

三个图。又因洛仑兹力的大小与电荷的运动速度成正比，（ F ＝B·q· V·sin а)，即电子

洛

的运动速度越高，电子所受的洛仑兹力越大，电子的运动方向改变的越快，所以不论阴极射线产

生的电子速度有多大，原子核对它产生的洛仑兹力都会将它的方向改变，直至洛仑兹力的方向向

外，这就是电子不能被原子核捕获的原因，也是电子受的向外的主要作用力是洛仑兹力的证据。

２、主层能量的变化原因

如果承认了电子受的向外的主要作用力是洛仑兹力，那么各主层能量变化的原因就不言而喻了，

因为当一个电子在某轨道上运动时，如果它的能量增加了，运动速度将加快，洛仑兹力必然增大

（ F ＝B·q· V·sin а)，电子会被推到离核较远的地方。相反，当一个电子失去一定的能

洛

量后，运动速度变慢，洛仑兹力也随之减小，电子会被核对它的静电引力拉到离核较近的地方。

所以有电子离核越远能量越高，离核越近能量越递的现象，这与主层能量变化的规律是完全相符

的，由此说明电子受的向外的主要作用力是洛仑兹力的观点是正确的。

３、各亚层能量变化的原因

由于同一主层中各亚层上的电子离原子核之间的距离几乎相等，即核对电子的静电引力几乎相

等，所以电子受的向外的洛仑兹力必然也要相近。又从洛仑兹力的公式（ F ＝B·q· V·sin

洛

а)中看出，在Ｂ和ｑ不变的情况下，要获得相同的F，必须在ｖ和а之间作相应的改变。在同

洛

一主层中，各亚层上的轨道与磁力线之间的夹角是各不相同的，如图 3所示，ｓ轨道是垂直切

割磁力线的，sin а的值最大，ｓ电子所需的速度最小，即能量最低。p 、d、f 轨道与磁力线之

间的夹角在原子的“赤道”（ｓ轨道可看作原子的赤道）上离 90°依次越来越远， sinа的值

越来越小 ,电子必须用增大运动速度的方式来保证洛仑兹力的不变，电子的能量自然是越来越

高。这又正好解释了各亚层能量变化的顺序，所以说电子受的向外的主要作用力是洛仑兹力的观

点是完全正确的。

４、决定各亚层轨道数多少的原因

为什么各亚层的轨道数按ｓ、ｐ、ｄ、ｆ的顺序分别是 1、3 、5、7，这是因为ｓ轨道与原子核

的磁力线是垂直的，不可能有第二条出现，如图 3。而ｐ、ｄ、ｆ轨道与磁力线不再垂直，并且

依次离90 °越来越远，它们拥有的空间也越来越大，能容纳的轨道数自然越来越多，所以分别

是３条、５条、７条。如图 3是ｓ、ｐ、ｄ、ｆ轨道在原子中的伸展方向，图 4是ｐ轨道的分

布。这个现象也可以说明电子受的向外的主要作用力是洛仑兹力的观点是正确的。

各亚层的轨道数为什么是 1、3 、5、7，不出现 2、4 、6、8。如果是偶数，在一个轨道的对面

必然会存在另一个轨道，当电子运动到中间是就会相遇，不利于稳定，为了实现和谐稳定的运动

方式，各亚层的轨道数只能是单数。

５、电子成键的规律

同一主层中所有电子离原子核的距离相近，这指的是在原子的赤道上，我们知道，有些元素与其

它元素形成化学键时，不仅倒数第二层的ｄ电子可以成键，倒数第三层的ｆ电子也可以成键，如

U 的价电子层结构5f36d17s2， （参考文献 3）。电子成键必须是轨道重叠，内层电子能成键，

说明内层电子并不是总在内层，一定是伸展到了外层。事实正是这样，当电子的运动方向在原子

的赤道上与磁力线垂直时，从图 3中可以看出，这时的轨道自然是个圆。当电子的运动方向在

原子的赤道上与磁力线之间的夹角不再垂直时，电子在运动过程中运动方向与磁力线之间的夹角

以及遇到的磁场强度都会不断地变化，并且电子的运动方向在赤道离 90°越远时，电子在两极

上遇到的磁场越强，在两极电子的运动方向与磁力线之间的夹角也越接近 90°，这时电子的运

动速度又快，电子在两极上受到的洛仑兹力也就变大，电子必然被推得较远，所以ｓ轨道是圆形 ,

ｐ、ｄ、ｆ轨道是椭圆形，并且椭圆的离心率依次越来越大，见图 3。其实电子在靠近两极的地

方因络仑兹力的增大而离核变远，又因离核变远而静电引力减小，静电引力的减小又必然要求络

仑兹力也要减小。在磁场较强，电子的运动方向又与磁力线接近垂直的两极上要减小络仑兹力，

电子只好离核更远。因此ｄ轨道和ｆ轨道椭圆的离心率很大，使得ｄ轨道在靠近两极的地方和下

一层ｓ电子与核之间的距离相近，ｆ轨道在靠近两极的地方和下两层ｓ电子与核之间的距离相

近。所以才会有 nｓ电子参加成键时 ,(n-1)ｄ电子和 (n-2)ｆ电子也可以参加成键的现象，这个

现象进一步说明电子受的向外的主要作用力是洛仑兹力的观点是正确的。

上述事实证明，原子核不仅有很强的电场，同时具有很强的磁场，电子在绕核运动时不仅受着

核对它较大的静电引力的作用，同时还受着核对它较大的洛仑兹力的作用，并且洛仑兹力的方

向一定是向外的。

四、核外电子的运动规律

１、电子的运动方向和运动速度

从上面的论述已经知道，电子受的络仑兹力总是向外的，那么同一原子轨道中两个电子的运动方

向必须相同，并且同一原子中所有电子的运动方向也基本上是相同的，如图 3所示，任何一个

电子的运动方向与s 轨道上电子的运动方向之间的夹角不可能超过 90°，也就是说同一原子中

所有的电子绝不可能出现反向运动的情况，这样就避免了电子之间的碰撞，为了使电子之间不发

生碰撞和电子之间的距离最远，在同一轨道上两个电子的运动方向不仅要相同，它们的运动速度

也要相同，而且同一主层中所有电子运动的平均角速度也必须相同，甚至同一原子中所有电子运

动的平均角速度也相同。

２、电子的运动轨迹

从以上的论述知道，ｓ电子是垂直切割磁力线运动的，它所受的洛仑兹力是不发生改变的，即ｓ

电子离原子核的距离也是不发生改变的，所以ｓ轨道一定是圆形轨道，对ｐ、ｄ、ｆ电子来说，

在靠近两极的地方离原子核较远，所以ｐ、ｄ、ｆ轨道都是些椭圆轨道，并且椭圆的离心率按ｐ、

ｄ、ｆ的顺序依次增大。

３、同一轨道中两个电子的分布

同一轨道只能容纳两个电子，这两个电子应怎样分布，我想它们一定是以图 3的形式放在原子

核的两边，这样一是它们之间的距离最远，斥力最小，二是它们之间的斥力正好是核对它们引力

的反方向，斥力很容易被抵消，甚至可以认为这样分布这两个电子之间就不存在斥力，能量自然

最低，这才是同一轨道只能容纳两个电子的真正原因。如果在同一轨道中有三个电子或更多，这

些电子如论怎样排布，它们之间的斥力是不可能消除的，即使正好达到了作用力的平衡状态，那

也是极不稳定的，任何一个电子的作用力受到微小的改动，都会引起平衡的破坏，绝不会稳定地

存在，因此在同一轨道中只能容纳两个电子。

也许你会说在同一轨道上只能容纳两个电子早有解释，泡利不相容原理早就告诉我们了，什么是

泡利不相容原理。 泡利不相容原理规定：在任何一个原子的电子集体中，不能够有两个电子同

时具有相同的运动状态。 （参考文献 3）。说明白一点，就是 一个原子轨道最多只能容纳两个

电子，并且自旋方向相反。 （参考文献 4）

泡利根据同一轨道只能容纳两个电子的现象得出这两个电子的自旋方向一定相反的结论，可他并

没有说出这两个电子自旋方向相反的原因，如果说不出原因那就有错的可能。

４、电子的自旋方向

现在人们认为在同一轨道中两个电子的自旋方向是相反的，我认为它们的自旋方向应该是相同

的，因为同一轨道的两个电子分别处在原子核的两边，它们相距较远，又因电子的体积很小，电

子自旋产生的磁场只能对离它很近的地方有较大影响，对较远的地方绝不可能有大的作用，如果

一个电子自旋产生的磁场能影响到原子核另一边电子的自旋，试想一下它的强度会有多大，它对

离它较近的其它电子又会产生什么影响，所以说一个电子因自旋产生的磁场绝不可能影响到同一

轨道的另一个电子，恰恰相反，电子因处在原子核产生的强大磁场中，电子的自旋将受到原子核

磁场的限制，使得不仅同一轨道中两个电子的自旋方向相同，而且在同一原子中所有电子的自旋

方向也都基本相同。如图 5。

同一原子轨道中两个电子的自旋方向相反是讲不通的，自旋方向相同才是合情合理的。对那些同

一轨道中两个电子自旋方向相反的所谓证据我们应该重新考虑一下它们的正确性。如果说光源在

强磁场中产生的光谱线可以分裂是同一轨道中两个电子自旋方向相反的证据，请问，你所用的光

源是一个原子还是由众多原子组成的物质？如果是众多原子组成的物质，那就不能肯定自旋方向

相反的电子是出现在同一原子中，更不能肯定同一轨道中两个电子的自旋方向是相反的。即使你

用的只是一个原子，你也无法保证这个原子不发生转动。

泡利不相容原理被否定后，对同一轨道只能容纳两个电子的原因是解释了，那又如何解释洪特规

则中的全满、半满、全空比较稳定的现象呢？这是因为电子处在半满状态时，每个轨道都有一个

电子，电子在原子中的分布就均匀，自然稳定，不论比半满多一个电子，还是少一个电子，电子

在原子中的分布就不可能是均匀的，自然不稳定，洪特规则的全满、全空比较稳定的原因也是如

此。

原子是由原子核和核外电子组成，原子核居于原子中心，电子绕核进行运动。由于原子核具有

极强的电场和磁场，电子的运动完全受着原子核电场和磁场的共同约束，使得不仅核外所有电

子的运动方向基本上是相同的，而且所有电子的自旋方向也基本上是相同的。