丁榮培,邱仁華

（1.湘電集團(tuán)有限公司，湖南 長沙,410015；2.湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙，400082）

1 核作用力前期研究的一些困惑

1935 年日本物理學(xué)家湯川秀樹為了解釋核作用力的傳遞方式問題，提出“介子傳遞核力”假設(shè)，認(rèn)為核力場通過交換一種質(zhì)量介入電子與核子之間其質(zhì)量約為電子質(zhì)量200 多倍的“介子”來傳遞核力，該理論將核力看作是通過交換稱作介子的粒子所產(chǎn)生的交換力[1]。

1.1μ 子曾被認(rèn)為是傳遞核力的媒介粒子，傳遞核力的所謂媒介粒子一直在變來變?nèi)ァ?/p>

1936 年安德森等人在宇宙線中發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量約200MeV 的μ 子存在，并稱之為μ 介子，當(dāng)時以為它就是湯川所預(yù)言的粒子。現(xiàn)在，μ 子不再歸入介子范疇而被稱為μ 電子。1947 年鮑威爾等人在宇宙線中發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量比μ 子更重的π 介子，這一次人們宣稱這個就是湯川所預(yù)言傳遞核力的介子?，F(xiàn)在流行的量子色動力學(xué)（QCD）理論認(rèn)為強(qiáng)相互作用是通過膠子傳遞的[2]。

所謂傳遞核力的媒介粒子一直在變來變?nèi)?，人們就像猜謎語一樣猜測核力的性質(zhì)和它的作用原理，對它的了解從根本上可以說是相當(dāng)膚淺的。

1.2 按照理論力學(xué)中動量守恒定律，如果介子或膠子傳遞力，則傳遞效果表現(xiàn)出來的應(yīng)該是排斥力，而核力卻是吸引力。比如，兩個人在湖中劃船，并相互傳遞籃球，根據(jù)動量守恒定律，兩個人感受到的必然是排斥力，兩條船會隨著籃球的在兩人手中傳來傳去而越來越遠(yuǎn)，而核力是吸引力，并非排斥力。

1.3“介子” 或“膠子”傳遞核力的假說不能解釋核裂變與核聚變這兩種不同類型核反應(yīng)過程中“介子”或“膠子”是如何作用并將能量轉(zhuǎn)化和釋放出來。力隨介子傳遞過程中移動了距離，根據(jù)功的定義，功為力與位移內(nèi)積，這個過程必然做功。事實(shí)上，穩(wěn)定的原子核其核子間雖然存在核力，但是核力并沒有發(fā)生位移而作功。這與介子傳遞核力的假設(shè)存在矛盾。核聚變是核子結(jié)合時釋放能量，從理論力學(xué)分析，這是一種在核子相互吸引方向的力在作功釋放能量。核裂變是重原子核分裂時釋放能量，系一種排斥方向的力在作功釋放能量。也就是說核聚變與核裂變時做功釋放能量的力的作用方向是不同的，這就使得介子或膠子傳遞核力作用的過程變得十分奇怪。不管是核裂變還是核聚變，迄今為止，并沒有發(fā)現(xiàn)介子或膠子在其中如何發(fā)生作用的相關(guān)證據(jù)。

2 解釋核作用力的新模型：核子間由于自旋而產(chǎn)生的磁相互作用力呈現(xiàn)與距離四次方反比關(guān)系變化

《論粒子能量、質(zhì)量、電荷本質(zhì)聯(lián)系及其引申意義》一文計(jì)算得出電子本體半徑為1.406 飛米、質(zhì)子本體半徑為0.765 阿米[3]。

2.1 自旋時質(zhì)子質(zhì)量、速度、半徑三者之間成反比關(guān)系，即粒子質(zhì)量越大、速度越快，粒子自旋半徑越小。正、負(fù)電子對可以看作是由一對光子轉(zhuǎn)化而來，同理，正、負(fù)質(zhì)子對可以看作是由一對能量更高的光子對轉(zhuǎn)化而來。質(zhì)子自旋角動量源自其“前世”光子自旋角動量，并遵守角動量守恒定律。即有：（式1），其中可以看作是粒子的自旋體半徑、為粒子的自旋體質(zhì)量、為粒子的自旋體線速度。

圖1 單位質(zhì)子磁矩（或稱核磁子）簡明示意圖

2.4 兩質(zhì)子以相互向?qū)Ψ娇催^去的自旋順時針或逆時針方向來確定自旋方向。自旋方向不以第三人觀察者的角度確定，而兩質(zhì)子以相互向?qū)Ψ娇催^去的自旋順時針或逆時針方向來確定自旋方向。在第三人觀察者角度看是同向旋轉(zhuǎn)，而從兩質(zhì)子角度來看是一個順時針、一個逆時針沿著相反方向旋轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生的磁力方向?yàn)橄嗷ノ?/p>

2.5 兩個質(zhì)子在核力有效作用范圍內(nèi)，其磁相互作用力與兩質(zhì)子的自旋轉(zhuǎn)速度有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。根據(jù)安培定律，兩個穩(wěn)恒電流之間的磁相互作用力，與兩載流體之間形狀、大小、相對位置和它們的電流分布情況有關(guān)（圖2）。

圖2 兩個質(zhì)子間由于自旋形成磁相互作用力簡要說明圖

由式7 和靜電力的庫侖定律的比較可以看出：一是兩質(zhì)子間靜電力與兩質(zhì)子之間的距離的平方成反比；二是兩質(zhì)子間磁力不同于靜電力，其作用力不僅與兩質(zhì)子之間的距離的平方成反比，而且與兩質(zhì)子的自旋速度的乘積成正比。

本文中在計(jì)算核子間相互作用力時所代入計(jì)算公式的相互距離是指客體中心之間相互距離（即非指客體球表面間相互距離，也非一客體球表面至另一客體中心間相互距離）。

2.6 兩質(zhì)子越來越接近，其自旋半徑越來越小、自旋速度越來越大、由自旋引起的磁作用力越來越強(qiáng)，并非如傳統(tǒng)理解象靜電力一樣隨距離平方反比關(guān)系變化。質(zhì)子間相互磁作用力隨距離四次方反比關(guān)系變化。將式3：代入式

2.7“質(zhì)子自旋體”間的磁力相互作用使“質(zhì)子本體”自旋速度加快，“質(zhì)子自旋體”進(jìn)一步接近，在此過程中磁力勢能轉(zhuǎn)化為“質(zhì)子本體”動能并對外作功，這就是核聚變釋放能量過程。自旋速度和自旋半徑均是量子化的，比如“質(zhì)子本體”自旋速度達(dá)到四分之一光速、自旋半徑達(dá)到0.84 飛米時，質(zhì)子自旋速度和自旋半徑處于穩(wěn)定狀態(tài)。可以判斷，兩質(zhì)子間距離大于臨界點(diǎn)時，靜電力（庫侖力）與磁力相比占有優(yōu)勢并表現(xiàn)為排斥力，距離小于臨界點(diǎn)時，磁力與靜電力（庫侖力）相比處于優(yōu)勢并表現(xiàn)吸引力。

2.8 質(zhì)子間相互作用力是靜電力（庫侖力）與磁力綜合作用的結(jié)果。兩質(zhì)子間靜電力（庫侖力）按距離平方反比關(guān)系變化而磁力按距離四次方的反比關(guān)系變化，排斥方向的靜電力與吸引方向的磁力存在此消彼長的關(guān)系。

表1 兩個“質(zhì)子自旋體”間不同距離時靜電力與磁力綜合相互作用計(jì)算結(jié)果（根據(jù)式11 計(jì)算）

2.10 原子核內(nèi)，質(zhì)子自旋、中子自旋因不同自旋轉(zhuǎn)速度、不同能量狀態(tài)而有不同的自旋半徑，因此眾多核子旋轉(zhuǎn)形成的軌道殼層與核外電子的軌道殼層極為相似，不同的是核外電子有原子核這樣的引力中心，而“質(zhì)子本體”以量子化的自旋半徑所作的自旋運(yùn)動不需要引力中心，質(zhì)子自旋產(chǎn)生的磁場使“質(zhì)子本體”得以量子值維持自旋，就像帶電粒子在加速器中圍繞圓形軌道旋轉(zhuǎn)的道理是一樣的。

3 基于新模型應(yīng)用的延伸探討

3.1 對燃燒化學(xué)反應(yīng)釋放能量的分析與解釋

例如，氫與氧結(jié)合燃燒時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程中，本質(zhì)上是外層電子結(jié)合成為電子對并釋放能量。但是，從單純庫侖能的觀點(diǎn)來看，電子因結(jié)合而靠近需要克服相互靜電力的排斥作用，也就是需要外界提供能量而不是釋放能量，電子間憑借什么力量克服靜電排斥作用而相互靠近從而結(jié)合成電子對呢？唯有從電子自旋引起的磁相互作用使電子相互吸引并在靠近過程中釋放磁勢能才能合理解釋這一我們司空見慣卻又一直沒有得到合理解釋的現(xiàn)象。

3.2 對低溫超導(dǎo)及庫柏對的分析與解釋

庫柏對是指電子結(jié)合在一起的狀態(tài)，在超導(dǎo)體中導(dǎo)電的不是自由電子，而是庫柏對[7]。庫柏對中電子自旋體的體積大大縮小，僅為自由電子狀態(tài)時電子自旋體體積的約一百七十七萬分之一大小，結(jié)成庫柏對中的電子其自旋速變快而自旋半徑變小，占據(jù)的體積按自旋半徑三次方的反比關(guān)系快速變小，使得這些庫柏對在晶格中運(yùn)動時，與晶格幾乎不發(fā)生動量交換，也就是幾乎不發(fā)生碰撞，相當(dāng)于不受到阻力，即超導(dǎo)體的電阻消失了。

3.3 基于新模型對輕子（或中微子）—核子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)的預(yù)言和解釋

在輕子（或中微子）—中子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)中，輕子（或中微子）首先碰到的是中子“外殼”，即帶負(fù)電荷的電子本體，“外殼”半徑為1.406 飛米。中間是半徑為0.765 阿米、帶1 個正電荷的”質(zhì)子本體”以0.84 飛米或0.21 飛米為自旋半徑自旋形成的“質(zhì)子自旋體”。當(dāng)輕子（或中微子）從中子內(nèi)部飛出來時又會遇到帶負(fù)電的中子“外殼”。