原子壳层新论

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原子壳层新论
陈叔瑄

    光和光谱是了解天体状态的基本途径，也是了解元素原子结构的基本途径，而且光谱扩大到射电领域、红外领域对天体状态具有重要意义，同样地光谱扩大到紫外线和Ｘ射线、γ射线等，再加化学性质和物理性质，对元素原子研究也具有重要意义。按现有原子结构理论，认为原子由电子和带正电原子核构成的，而原子核又由带正电质子和中子构成的，电子绕原子核以稳定轨道运动。量子论又假定只能在允许轨道上运动，这些轨道用一系列量子数来描述，量子力学更进一步用原子核分布着电子云解释。这样，电子与原子核间是电场作用吗？如果是，电子绕核作加速运动，为何没有辐射电磁波而处于稳定圆或椭圆运动？又为什么电子只能在允许的轨道运动？如果是电子云，又为什么电的作用不会将其吸收到原子核中？这里涉及到一个根本性问题，即原子内究竟是不是固有电的相互作用？
    量子论和量子力学是在解释原子光谱和元素周期表化学性质而逐渐建立起来的，它避开了电作用问题，它也不考虑元素原子生成条件和过程。若按电是暂态性和粒子是涡旋物质浓缩质量而生成的，并在浓缩和弥散矛盾中构成交换而更进一步微旋化，生成更加浓缩和更深层的粒子，到了一定时候处于相对稳定状态。稳定的微涡旋系统也必定处于交换平衡系统和周期性变换稳定系统。元素原子是稳定的微涡旋系统，原子内原子核和壳粒也是微涡旋及周期性变换的稳定系统，因此原子、原子核、壳粒等都是微涡旋粒子，跟周围场质处于交换平衡状态。从而粒子具有平动、自旋、周期变换运动基本形式之外，还跟周围具有场质交换，这些交换是粒子联系的基础。电是粒子分离或破裂而处于交换不平衡的产物。
        一、微粒涡旋
宇宙间连续场质各向平动的机会均等及其各向正反平动转化涡旋运动，形成了大量微涡旋浓缩状态的粒子。高速的粒子则构成量子，低速的粒子则构成实物粒子或元素原子。微涡旋同样可构成以同一角速度运动的核心部分和分离出不同角速度而绕核心运动的若干个环，每个环中线里外两侧多一个相反速度，并旋转浓缩成壳粒子。若绕核心运动的环逐渐被吸收而构成基本壳粒和绕其的新环，这些环又再浓缩成粒子，并跟基本壳粒一起绕核运动，这些粒子相对核以波纹路径运动，即一个轨道只有一壳粒。原子核与壳粒浓缩到一定程度，则要弥散，构成周期性交换，当其交换平衡时而处于相对稳定的运动状态。可见，物质涡旋运动生成微观粒子，从而微观粒子自然具有自旋和吸引质量趋势，它是自旋和引力存在本质。由于微观粒子稳定时必处于交换平衡或周期性变换状态，交换是微观粒子间相互作用基础，周期性变换是微观粒子波动性根源。
    涡旋运动质量密度趋匀过程，使中心具有无限浓缩质量趋势，但中心质量密度不可能无限大，因此中心必定移动和往外弥散质量，构成粒子周围交换的正反流动场质，并使其微旋化成深层粒子。在正反流动场质交换中以浓缩流动为主要或主动方面，当两粒子场质叠加时，相邻一侧反向叠加有浓缩趋势，外侧同向叠加有弥散趋势，使两者互相靠拢或相吸，而且愈近趋势愈强，反之两粒子弥散流动也愈靠近愈强，即交换愈强或引力愈大，当两者平衡时两粒子则处于相对稳定状态。外侧周围场质交换实际上是这些粒子各自交换场质的叠加，因此质量愈大交换场质作用愈强，且成正比。相邻侧处于浓缩强于弥散并形成靠拢（引力）作用，使粒子绕其公共质心稳定轨道运动。可见，粒子或原子的自旋和公转是其生成的自然属性，称为粒子自旋和公转原理。从根本上解决微观粒子基本现象本质。
    若两粒子质量差别很大时，较小质量粒子通常围绕着较大质量粒子周围运动或公共质心靠近较大质量粒子核心，且公共质心愈处于重粒子核心愈稳定。从而涡旋中心移动速度愈小愈稳定，随着中心速度增大而愈不稳定，壳粒与核间愈易脱离。壳粒与原子核趋心场质跟弥散场质处于平衡时，则处于稳定轨道运动。核心质量愈大能够实现交换稳定的外层微粒子数目愈多，以使公共质心处于重粒子内和交换平衡状态。外层各壳粒绕核运动轨道分布愈近里层和愈对称，质心愈处于核中心而愈稳定。因此元素原子壳粒总数与质量大体成比例，壳粒总是趋于先占满里层并处于对称性轨道分布基础上才往外占空轨道。由于元素原子是物质涡旋运动中核和环形成的，一个环只能一个粒子（多出个必在演变中浓缩在一起）及另外的环，即一个轨道或量子数只能有一个壳粒。
    原子核外粒子统称为不同量子数的壳粒，壳粒数和分布不同则构成不同的化学性质和物理性质。稳定微旋粒子的外壳层粒子数具有决定性意义，从而同样壳粒数的稳定微旋粒子分成一类，每一类为同一化学元素，其对应的微旋粒子称为原子。元素原子按壳粒数和分布来分类，而壳粒数又决定其原子量的大小，因为原子量愈大表示微涡旋所浓缩质量愈大，相应构成的可能外层壳粒愈多。除氢元素外，其他元素原子量与壳粒数大体成一定比例，原子量愈大壳粒数愈多。同一元素原子量略有差异在于其形成环境条件、运动状态和分布状态、壳粒所处能级、核同位素情况等有关。从而在一定环境条件下同一元素原子量是统计分布的平均值。不同环境条件下的元素原子量略有差别，这个性质决定了原子光谱线的偏移和具有一定宽度。某些同壳粒数而原子量偏离过大的原子元素称为同位素。同位素的化学性质相同，但物理性质则可能存在差别。
    宇宙中不带壳粒或带一个壳粒的微涡旋粒子最容易产生，且微涡旋带壳粒数愈少愈易产生。不带壳粒的实物粒子称为中子，带一个壳粒的微涡旋称为氢原子，带二个壳粒的微粒子称为氦原子。带三个壳粒以上的微旋粒子分别按已知元素周期表原子序即壳粒数来称呼这些元素名称。如外壳粒６个称为碳，７个的称为氮，８个的称为氧等等。在趋于对称性分布趋势中，除最里层分布２个壳粒为对称外，其他元素最外层８个象限各占一个壳粒的元素为最稳定，如惰性气体氖、氩等元素。不是８个的有趋于构成８个的趋势，即趋于分布对称性趋势。外壳层少于４个的易失去壳粒，以使外层布满８个壳粒，多于４个壳粒的则易得壳粒，以补充到８个趋势。外壳层少于４个壳粒的元素在结晶成固体时，外壳层易失去的壳粒常在固体中移动而易产生导电性。在物理性质上构成导体，称为金属性。易得失壳粒性更主要地体现在化学变化的性质上，因此在化学性质上排列成元素周期表，对了解化合物性质及其反应具有重要的意义。
    元素原子的壳数按比例地对应原子量或原子能量，才能处于稳定的交换平衡状态。当该原子失去一个壳粒或得到一个壳粒都会使壳粒与原子核之间的交换失去平衡，并在趋于交换平衡中恢复原来壳粒数的趋势。在趋于对称性和交换平衡性的趋势矛盾，使壳粒在元素原子之间交换而化合成分子。原子结合成分子往往吸收或放掉部分能量，多数情况是放掉或辐射能量而生热，这个能量称为结合能。它与壳粒数对应的原子量相比是很小的。原子的壳粒离开要吸收能量，原子的壳粒回到原子核周围要辐射能量。原子的壳粒从较低能态跃迁到较高能态要吸收能量。反之壳粒从高能态跃迁到较低能态要辐射能量子。从而稳定的元素原子有一定壳粒数和处于最低基本能态和最佳的壳粒分布状态。
    宇宙中微涡旋形成的不外高速的量子或低速的粒子，低速粒子的平动能对总能比很小，而主要体现在自旋能和部分变换能、交换能上，而自旋能具有向中心浓缩质量趋势，这种趋势使粒子互相靠拢或者产生引力，甚至构成新涡旋粒子，这些粒子成为形成天体前星云的物质基础。由于离具体天体远处宇宙空间环境条件大体一致，从而形成中子和氢原子质量也是大同小异，在此基础上由中子和氢原子对浓缩组合的新涡旋粒子也大体上相同，同类元素原子尽管质量有一定分布或大同小异，但可用统计的平均值表示其原子量。各个天体环境条件和演化历史情况不同，所形成元素原子丰度各不一样。即使同类元素原子量也略有差异，使得各个天体所取得同一元素谱线有红移和紫移，而且谱线宽度略有差异。地面元素既来自宇宙空间又为地幔所形成的，轻元素多半来自宇宙，中等或较重元素主要来自地幔不同温度和环境条件形成的。
    二、微粒交换
    粒子浓缩质量很易达到一定限度，并产生交换，即弥散质量与浓缩质量交错运动，浓缩质量愈大弥散过程愈快。若处于交换平衡则相应交换频率愈高。原子核质量较大相应交换频率也较大，外层壳粒质量较小相应交换频率较低，要使原子核与外层壳粒交换同步或稳定必需交换频率整数倍，即壳粒只有跟原子核交换频率整数倍的那些轨道交换才是强烈的或允许的。愈靠近核或能级愈低交换频率愈同步，从而壳粒愈处于原子核邻近的能级轨道上。称为粒子交换同步，即交换频率整数倍原理。交换强度是交换总量除以单位面积，交换总量又跟粒子质量密度成正比，如原子与原子核相比，两者质量相近而原子核体积小３个数量级，使原子核交换总量远大于原子，原子核的核子交换是强作用，远强于原子核壳的电磁作用。电磁交换跟粒子的交换频率和交换总量有关。
    原子壳粒愈处于外层能级愈高或交换频率愈高在于原子核交换场质叠加上在其之内壳粒交换场质的交换频率，构成由里层往外层逐渐递增的能级，因此壳粒从里层往外层跃迁需吸收能量子，外层往里跃迁就辐射能量子。当里层空缺时则处于交换不平衡状态，立即从外层壳粒递补进去，以趋于稳定平衡状态。由于壳粒变换频率是交换频率的最低端，同样要求变换频率整数倍，即基本壳粒外壳粒相对核波纹轨道间变换频率整数倍，并反映在波长或动量整数倍上。实物粒子的交换频率是其内部微粒子交换频率叠加的结果，因此粒子质量愈大交换频率愈杂，实物由这些粒子一定交换方式联结组成的，其交换频率是这些粒子交换频率叠加而成的，交换频率更杂更大，相应交换能可用总能减去矢能或平动能表示。
    微观粒子如分子、原子的内外相互作用就是电磁交换场质的作用，一个粒子跟周围交换的频率所对应的交换能量可由总能减去平动能等矢量能体现出来，即
Ｅν＝ｍｃ²［１－υ²／２ｃ²］＝ｍｃ²β²＝Δｈν
当低速时β≈1 ，交换能或交换频率与质量成正比。从而质量愈大相应地交换能或交换频率也愈大。粒子外交换场质本身实际上是周期性变换场质，并以光速运动，那么交换场质的交换频率、周期等于变换频率、周期，周期变换峰值空间距离或长度称为交换场质波长
λ＝ｃτ＝ｃ／ν＝ｈ／ｍｃβ²≈ｈ／ｍｃ
当β２为低速时λ的近似值。表明交换场质峰值间距或波长λ随质量增加而减少。如果波长λ线度小于物体的线度，那么其周围交换场质可以看成连续的。例如密度ρ＝2.7克／厘米³，质量ｍ＝1克的铝块，而该铝块体积或线度为
Ｖ＝ｍ／ρ＝１／2.7＝0.37厘米³
ι＝³√(0.37)＝0.72厘米
其中Ｖ为铝块体积，ι为铝块线度，相应交换场质峰值间距或波长
λ＝ｈ／ｍｃ＝6.626×10&sup-27／2.997×10&sup10
＝2.21×10&sup-37厘米
表示铝块线度远大于其交换场质峰值阵面间距，达36个数量级。从而宏观铝块周围交换场质完全可以看成连续交换场质或场。
    对于微观粒子的情况则完全不同，并作如下比较。对微观粒子，如原子壳层粒子（或电子或原子核）直径（或线度）为
ι＝0.5635876  厘米
ｍ ＝9.109534×10&sup-28克
而其周围交换场质峰值间距或波长为
λ＝ｈ／ｍｃ
＝6.63×10&sup-27／9.11×10&sup-28×3×10&sup10
　   ＝2.4271×10&sup-10厘米
表明壳粒周围交换场质阵面间距比壳粒线度大3个数量级，即近2000倍。这时微观粒子周围交换场质构成了一阵阵不连续的交换场质锋值阵面。
    粒子周围交换场质峰值间距决定于粒子质量的大小，质量愈大间距愈小，也就愈密。氢原子核质量若是壳粒质量的1838倍，从而原子核交换场质峰值阵面较壳粒阵面密1838倍，而两者构成稳定交换主要决定于交换阵面较疏的壳粒。原子核只能在壳粒峰值阵面整数倍而又刚好是原子核峰值阵面上的那些轨道才有可能稳定的同步运行。由于微观粒子通常是呈橄榄形或近棒形，加上原子核是移动的，从而峰值阵面是沿着橄榄形或竖椭球的阵面或者稍为变形的阵面上的轨道。每个轨道都必需满足壳粒与原子核的整数倍的交换场质峰值间距，若壳粒外还有粒子交换且绕其运动则构成相对核波纹轨道运动，且交换整数倍（或波纹整数倍）才是微观粒子允许轨道。表明微观粒子场质交换所构成的轨道不是任意，而是某些允许能级的轨道。这就是壳粒运动量子化本质所在，也证明了为何原子壳粒只能在允许轨道上稳定地运动。
    同类元素所形成的环境条件不同，其原子量略有差别，甚至偏离。也就是核外周围壳粒轨道略有差别，甚至偏离。从而壳粒跃迁所辐射的量子能量略有差别，甚至偏离。前者引起光谱变宽，后者多半在其它星球上的相应条件形成的，并产生光谱红移或紫移。同类元素众多原子的壳粒轨道具有统计性质，所辐射同一谱线也具有统计性质，使谱线变宽。不同元素的原子核质量差别很大，它跟中子和氢原子整数倍有关，其周围的交换场质峰值间距较氢原子小而密，其跟壳粒交换的波阵面或轨道决定于壳粒。从而所有最外层壳粒相同原子周围壳粒轨道形式、性质、分布与氢原子类似。正是这个原故，使得同元素的各原子绕原子核的壳粒轨道有一定偏离或分布，实际上并非各个原子核周围没有确定轨道的电子云，而是各个原子的壳粒都有确定运行轨道，只是原子量偏差，使各个原子壳粒轨道稍有差异，宏观上就出现一定的统计分布。
    物体间接触作用实际上是能量变换、交换、递换运动。两个物体间隔空间相互作用，必定以某种形式交换能量，通常以能量子传递来实现能量交换的。这个充满空间的传递能量子物质称为场质，相应的空间称为场。实物周围的基本物质形态是交换场质而场质是物质高速运动形态。可见，不管接触作用还是间隔作用都是能量变换、交换、递传的结果，也是作用与反作用总是同时存在的反映。若外层壳粒离开原子，立即出现交换不平衡。核心粒子因失去壳粒或失能量而具有空穴属性，即具有再填补壳粒或加速浓缩趋势，称为带正电状态。得壳粒物体或壳粒具有再失壳粒或加速弥散趋势，称为带负电状态。带正负电粒子靠拢，加速失去电性或空穴填补上壳粒而处于交换平衡状态，即所谓中和。
    每个实物粒子都在跟周围场质的交换或周期性变换能量中存在的，而且粒子质量愈小或速度愈快波动性愈明显，波长愈大于粒子线度。量子或壳粒离开原子核的状态、时间都带有随机性，从而量子或壳粒所处的相位和方位都带随机性。但量子或壳粒打在晶体表面或边缘上，所处相位和方位各不相同，即速度（动能或动量）或角速度（自旋能或角动量）状态各不相同。若量子或粒子总能在介面或边缘作用不变性，即总的变换或交换能量一样话，动能改变量愈大，相应地作用时间间隔愈短，其乘积为恒量
△Ｅ△ｔ＝△ｐ△ι＝ΔＮΔθ＝ｈ
其是粒子各个瞬时能量（动能）改变量不一样，从而滞留表面作用时间不一样，相应结果是对微观粒子间周期性相位和方位起了调整作用，称为相位调整关系。它等价于海森伯测不准关系式。由于量子力学粒子假定为没有大小和形状，更没有状态变化的质点，只好用能量和时间不能同时准确测量解释之。
    三、波动方程
    粒子在空间运动过程状态是周期性变换的，从而粒子在空间状态可以用波函数来描述，频率和波长对应着交换能（相应能量）和变换能（相应动量）。元素原子是原子核与壳粒交换平衡的系统，壳层粒子运动状态可以用定态波函数来描述。按涡旋生成原子观念，原子结构像太阳系，如果行星椭圆轨道运动，那么绕行星运动的卫星相对于太阳是绕太阳波纹状轨道运动。微观壳粒绕原子核也是一系列椭圆和波纹状运动轨道，不同之处在于必需在交换频率或波长整数倍的允许椭圆和波纹轨道上才能稳定地运动，并可用量子力学波函数的主量子数（或径量子数）和轨道量子数（或角量子数）来分别描述。可见，壳粒在原子中运动不仅跟其交换场质叠加整数倍有关，还跟壳粒本身周期性变换运动有关。
若用定态波函数或波动方程表示原子核外壳粒层状态，而波函数的频率和波长都应跟壳粒交换能和动量的量子化参量有关。粒子波函数的频率跟粒子的质量成正比，波函数的波长倒数也跟粒子动量成正比。当波函数频率和波长倒数用粒子能量和动量代入时，这个波函数就变成了粒子状态的函数。但由于同元素原子间质量存在略有差异，使得波函数具有统计分布性质，这是宏微观之间的一种基本关系。对于粒子群来说波函数平方表示该状态的粒子数密度或能密度总和，但对单一粒子来说状态波函数的平方或共轭乘积表示该粒子在相应能状态出现的几率密度。单个粒子波函数是能量状态函数
ψ(t,ι)=ψie&sup-i2π(νt-ι/λ)
=ψie&sup-i2π(Et-pι)/h
其中Ｅ＝ｈν、ｐ＝ｈ／λ。
    为了进一步建立非自由粒子的波函数，作些数学变换。为了方便起见，设ｐ在ｘ上分量，ι用ｘ分量表示
（－ｉｈ／２π）δψ／δｘ＝ｐｘψ
（－ｉｈ／２π）δψ／δｔ＝Ｅψ
将ｘ坐标轴推广到整个坐标系，且对自由粒子Ｅ＝ｐ²／２ｍ，对于非自由粒子Ｅ＝ｐ²／２ｍ＋Ｕ（ｒ），即多了一项位能，而且定ｐ２＝－ｈ²△算符代入则波动对于时间关系可忽略的稳定状态粒子定态波函数及波动方程可改写成
（－ｈ²／２ｍ）Δψ＋Ｕ（ｒ）ψ＝Ｅψ
（ｈ²／２ｍ）Δψ＋［Ｅ－Ｕ（ｒ）］ψ＝０
其中Δ＝δ²／δｘ²＋δ²／δｙ²＋δ²／δｚ²
    波动方程还可采用圆柱坐标表示，其算子和波函数分别为
Δ＝δ²／δｒ²＋（１／ｒ²）δ²／δφ²＋δ²／δｚ²
及波函数ψ（ｒ、φ、ｚ）
（ｈ²²／２ｍ）Δψ＋［Ｅ－Ｕ（ｒ）］ψ＝０
表明原子核外壳粒的轨道状态的波动方程。            
    若用球面坐标表示，则算子Δ为
Δ＝（１／ｒ²）（δ／δｒ）（ｒ²δ／δｒ）
＋（１／ｒＳinθ）（δ／δθ）［（Ｓinθ／ｒ）δ／δθ］
＋（１／ｒ²Ｓin²θ）δ²／δφ²
球面波函数坐标轴变量改为ｒ、θ、φ等，波函数为
ψ（ｒ、θ、φ）＝Ｒ（ｒ）Ｙ（θ、φ）
                          ＝Ｒ（ｒ）Θ（θ）Φ（φ）
其中Ｒ（ｒ）为波函数中径向函数，Θ（θ）为球谐函数或为轨道函数、Φ（φ）为方位函数。代入波动方程，可写出径向波动方程，且设球谐波动方程已量子化
Ｙ（ι）＝ｈ²ι（ι＋１）／２ｍｒ²
（ｈ²／２ｍｒ）δ²ｒ（Ｒ（ｒ））／δｒ²
＋［Ｅ－Ｕ（ｒ）－Ｙ（ι）］Ｒ（ｒ）＝０
通过波函数变数分离法来解方程，Φ（φ）取任何不引起任何的变化且要四项加起来仍然等于零，只有第三项
Φ=Ae&sup-im
将数值代入波动方程又可得以几率等一的归一化条件的解，其Ｌ≥｜ｍ｜为正整数和ｍ为小于Ｌ的正负整数，即Ｌ为０、１、２……（ｎ－１）及ｍ为０、±１、±２……±Ｌ。如果原子壳层是以不同ｒ处上分布着交换场质整数倍的竖椭球的面，这些面可由波动方程中ｋ／ｒ＝Ｕ（ｒ）为交换场质中壳粒的位能，它跟原子核距离ｒ成反比，Κ与原子核质量或交换总量和壳粒交换有关的量
Ｅ＝－２π²Ｍｋ／ｈ²ｎ²＝－Ｒ’ｈｃ／ｎ²
其中取ｒ²＝ｎ²，且 ｎ＝１、２、３……。 表示从里到外壳层交换整数倍的椭球面，等价于量子力学的主量数。而Ｌ表示壳粒在波纹轨道上运动的状态变换频率（波长数）的量子数或整数倍，即Ｌ＝０、１、２……（ｎ－１）等。ｒ＝ｎ的值愈大，意味着整数倍交换允许的波纹轨道数愈多。ｍ为椭球面上轨道角偏ｚ轴的量子数，ｍ＝０、±１、±２……±Ｌ等，考虑到壳粒正反旋转，故角偏ｚ轴的量子数有正负值。考虑自旋的正反向，总的量子数还要增加。壳粒自旋和公转在外磁场用下，因其自旋的正反向和公转角速度不同，故以称磁量子数。
    定态波函数和波动方程是微观粒子涡旋演化构成稳定元素原子壳层状态的描述方程。实际的解相当繁琐，而且不断引进某些附加假设才能不断扩大解释。为了解释元素的壳粒（或旧称电子）在化学周期律的意义，引进泡里原理和最小原理等。为了解释谱线宽度而引进海森堡测不准原理和几率解释等。对于一个原子系统来说壳粒只有在那些交换场质峰值间距整数倍轨道才是稳定的，从而波函数又可用于表达壳粒所在交换场质作用极强的轨道状态函数。由于各同元素原子质量略有差别，轨道也略有差别，对大量原子来说则具有统计性质，即波函数幅度平方或共轭乘积用来表达所处状态的粒子数密度或单一粒子出现几率密度。波函数统计性质决不是意味着单个原子的壳粒轨道不确定性，而各个原子的壳粒轨道是确定的，但大量原子间的原子质量存在差异，在宏观上原子壳粒轨道的一定分布及其平均值。
    四、原子结构
    交换场质中趋心运动是浓缩和弥散对立面的主要方面，从而交换场质叠加具有反向浓缩性质，而且交换场质叠加密度愈大，浓缩趋势愈强，使得两粒子相邻，其相邻一侧叠加趋心场质反向而具有浓缩趋势，而外侧趋心场质同相叠加而具有弥散趋势，这个趋势压粒子靠拢或相吸，愈靠拢的两粒子的交换频率整数倍愈小，即愈同步且能量愈小。表明粒子交换场质叠加，具有趋于能量最小值的趋势，即原子最里层的能级最低，从而壳粒趋于最低空能级的趋势。这个原理等价于量子力学的最小能量原理。可见最靠近原子核的壳层先被壳粒占据和愈低能级愈先被占据。从而任何多粒的稳定原子必然里层低能级的轨道先被壳粒占据，并逐渐往外层和高能级的轨道填补。
    原子是涡旋体，其壳层的壳粒也是自旋和公转的涡旋体，在外磁场作用下，涡旋体周围切向交换场质具有磁性，受作用后运动轨道略变，从而出现光谱分离，这个现象称为磁场塞曼效应。由于涡旋体周围径向交换场质，在壳粒跃迁过程出现暂时不平衡或电性，在外电场作用下产生斯塔克电场效应。壳粒从外层往里层跃迁辐射量子,而壳粒从里层往外层跃迁则吸收量子。前者出现明线，而后者出现暗线。对于通过碰撞引起原子之间能量传递，使壳粒状态改变而暂时还不跃迁到原来状态，这时原子处于受激状态。有时由于原子量差异，使得外磁场塞曼效应变成更多条分离或分裂的反塞曼效应。同元素原子质量的差异分布是许多光谱现象的根源，如谱线宽度，谱线移位，谱线强度，外场作用下谱线分裂反常效应等。辐射原子数愈多所辐射谱线自然愈强或强度愈大。
    微涡旋的原子外壳层形成是单个壳粒与原子核交换场质峰值间距整数倍椭球阵面及其允许椭圆轨道（或波纹轨道）而确定的，从而每个轨道只允许一个壳粒。因为壳粒是由涡旋环形成的，在同一环上多粒子必在运动中结合成一粒子，才能处于稳定状态，否则处于不稳定或交换整数倍所构成能级和轨道完全不同。这个称为壳粒生成原理等价于量子力学的泡利不相容原理。这样各个壳层ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、……等都有个最多轨道数或最多壳粒数。在给定的壳层中ｎ是一定的，如ι的可能数值是从０、１……到ｎ－１共ｎ个，加上正负为一倍，对给定ι值，ｍ的可能数值－ｌ，……０……到ι共有（２ι＋１）个，从而给定的壳层最多壳数为
ｚ＝∑（２ι＋１）²＝２ｎ²
可见原子内具有主量子数ｎ的壳层内壳粒数目不会超过２ｎ２个。
    最里层ｋ（ｎ＝１），最多只有２个壳粒。Ｌ壳层（ｎ＝２），最多只有８个壳粒。Ｍ壳层（ｎ＝３）多只有１８个壳粒。以此类推，Ｎ壳层最多３２个，Ｏ层最多５０个等等。将各壳层的壳粒数分布列在元素周期表中，第二周期从ｋ＝２，Ｌ＝８填满的氖开始，由０到７增加Ｍ层，继续填满Ｍ层而构成了长周期，最外层填满８个就进入四周期。零族惰性气体：氦、氖、氩、氪、氙、氡等，壳层装满８壳粒且分布对称性，因此不跟其他元素化合的惰性元素。最外层一个壳粒的有氢、锂、钠、钾、铷、铯等碱金属元素，其易失最外层壳粒，而具有金属性，易跟氧化合成氧化物，称为碱金属族元素。最外层２个壳粒的有铍、镁、钙、锶、钡、镭等碱土金属元素，也易失最外层壳粒，具有金属性，称碱土金属族元素。反之最外层七个壳粒的卤族元素氟、氯、溴、碘等和最外层六个壳粒的氧族元素有氧、硫、硒等都是易得壳粒，以补满８个的趋势，称为非金属元素。
    原子壳层阵面用符号表示，壳层壳粒数用数字表示，ｋ表示最里壳层，１ｋ表示该壳层壳数１，０Ｌ表示２壳层壳粒数为零，等价子一壳层占满２，等价１ｓ²或２ｓº。３Ｌ表示３壳层占有三个壳粒，等价于２ｓ²２Ｐ¹。以此类推１Ｌ、２Ｌ、３Ｌ、４Ｌ、５Ｌ、６Ｌ、７Ｌ分别对应二壳层分布壳粒为１、２、３、４、５、６、７个。０Ｍ＝３ｓ０为三壳层开始，其他相应１Ｍ、２Ｍ、３Ｍ、４Ｍ、５Ｍ、６Ｍ、７Ｍ为三壳层的壳粒数目分别是１、２、３、４、５、６、７个。主族元素外层壳粒均按上述表示。对四壳层分别用０Ｎ、１Ｎ、２Ｎ、３Ｎ、４Ｎ、５Ｎ、６Ｎ、７Ｎ，对五壳层分别用０Ｏ、１Ｏ、２Ｏ、３Ｏ、４Ｏ、５Ｏ、６Ｏ、７Ｏ，六壳层分别用０Ｐ、１Ｐ、２Ｐ、３Ｐ、４Ｐ、５Ｐ、６Ｐ、７Ｐ等表示。对过渡元素因内层还可再添些允许轨道填入壳粒，而用带’的层轨道表示。例如铁２Ｎ６Ｍ’＝３ｄ²˙³４ｓ²，又如铜１Ｎ１０Ｍ’、银１Ｏ１０Ｎ、金１Ｐ１０Ｏ’，其前面数字表示最外壳层壳粒数，后面符号表示壳层次，相应数字为里层壳层填充的壳粒数。这样表示法较简明。
    晶体的原子之间通过壳粒交换和传递而联结成的，这样原子之间的交换场质可能叠加起来，使得原子周围交换场质峰值间距发生了变化，通常称为微扰。也就是说，整个晶体中各个原子壳粒与原子核交换整数倍的壳层能级和轨道不同程度略有改变，使得原来一个能级和轨道在宏观上变成一组能级和轨道。这样一组能级则成了一个能带，对于一个原子的壳粒在某时刻处在能带的一个能级中，不同原子壳粒则处于不同能组中的能带之中的一个，一个能级占一个壳粒。由外层壳粒占满的最顶能带称价带。向外紧挨着的能带通常是空的，称为导带。能带之间不允许的带称为禁带。在强外磁场或外电场作用下，就会把价带上的壳粒填补进去。被激发后价带留有空位称为空穴，其他壳粒可填补进去。被激发到导带的壳粒，容易流动，通常导体上导带填有大量壳粒。绝缘体的导带没有壳粒，即使用很强磁场和电场也难使之跃迁到导带上，这是因为绝缘体的禁带很宽，价带的壳粒难跃迁到导带。
    导体的禁带等零或更少而叠加在一起，使壳粒易在导体中移动。半导体介于两者之间。禁带既不叠加又不宽，外磁场和电场作用下壳粒移动或跃迁。对于绝缘体和半导体之间禁带宽度往往对晶体的颜色影响很大。如金刚石禁带能宽度为5.6电子伏特，而可见光能量在1.7～3.5电子伏特之间，比其禁带能宽度小而不吸收，使金刚石透明无色的。磁晶体禁带宽度2.4电子伏特，可见光的蓝色以上光被吸收，壳粒跃迁到导带，呈现出黄色。分子和原子壳粒常在导带中移动，这种移动经常使壳粒或某些原子核常处在交换不平衡状态，即易导电状态，只要外加电场或磁场都易使是壳粒移动，感应电荷或感生电流。这类导带与价带重叠且使导带填有一半左右的壳粒的物体，因导电性好而称为导体，其辐射易构成光热现象。
    原子的最外层壳粒因分布不对称而有趋于对称趋势，易得或易失外层壳粒的特性。一旦原子失去壳粒又出现新交换不平衡而趋于交换平衡趋势，迫使壳粒再到其周围以趋于交换平衡。两者的矛盾使原子结合成分子，并在原子之间交换壳粒，壳粒交换是构成化学键，是化学性质的本质。如果分子内原子外层壳粒成对地交换，就象这对壳粒共同绕两个原子核运动似的，如氢分子、氧分子、氮分子等。如氧分子内原子最外层有六个壳粒，有趋于布满８个壳粒的对称分布趋势，从另外原子得两个壳粒的趋势，而另一原子也有同样趋势要从前一个原子获得两个壳粒。当一分子递出两个壳粒，两原子处于交换不平衡，有在恢复趋势，构成氧分子两壳粒互相交换的作用而联结两个原子，这类公共使用壳粒的化学键称为共价键。    若壳子是一个易失壳粒，另一个是易得壳粒，使易失壳粒原子供给易得壳粒原子，如钠易失壳粒而氯易得壳粒以趋于各自分布对称性。但当其分布对称性而各自原子又处交换不平衡，具有恢复趋势，这样壳粒在原子之间拉来拉去而形成交换，这类壳粒交换的化学键称为异价键（旧称离子键）。实际上这样构成分子在固体中又因分子间壳粒交换而构成原子交错排列，壳粒交换又传递而联结成晶体。如一钠原子可以将壳粒跟左右、前后、上下的氯原子进行递换，氯原子也是如此构成原子间交换传递。金属晶体原子的壳粒易脱离开原子并在晶体内自由移动而构成导体，外加磁场或电场，就会产生电流。
    五、原子光谱
    同元素原子具有接近或同样形式的壳粒轨道分布，虽然略有偏差。但不同元素原子因原子量差别大，轨道分布差别较大。最里层圆轨道的能量级最低，愈往外层能级或愈偏离圆轨道（或倾角）的能级愈大或愈高，高能级或外层次轨道的壳粒往低能级或里层轨道跃迁则辐射一个量子。壳层能级
Ｅ＝－Ｒ＇ｈｃ／ｎ²
其Ｒ＇＝109677.6厘米分之一，跃迁能量△Ｅ
△Ｅ＝ｈｃＲ［（１／ｋ²）－（１／ｎ²）］＝ｈν
壳粒跃迁能量△Εｋｎ等于辐射量子能量ｈν，波数１／λ，
    当ｋ＝１，ｎ＝２、３、４……诸谱线在紫外区，合称赖曼系。当ｋ＝２，ｎ＝３、４、５……诸谱线在可见光区，合称巴耳末系。当ｋ＝３，ｎ＝４、５、６、７……诸谱线位于红外的可见光区，合称帕邢系。当ｋ＝４，ｎ＝５、６、７……诸谱线位于红外区，合称布喇开系等。光谱精细结构还包括轨道倾角引起谱线差异和在外磁场作用下轨道分离引起的塞曼效应，用高分辨率分光仪可以发现几乎每一线谱均可分裂为数条相邻极近之线所组成的。壳粒离开原子核自由运动，当其跃入某个能级，所辐射的量子能量是任意值，从而众多原子的自由壳粒跃迁则构成连续分布光谱。
    由于原子即使同类元素的质量略有差别，原子量是其平均值。所构成的壳层和轨道略有差别，从而所辐射的量子也略有差别，具有接近平均值附近分布状态，使得每一条光谱线都有一定宽度。宽度反映同元素原子间壳层和轨道的宏观统计性质。同类元素是指原子壳粒数相同而原子量接近的原子。原子壳粒数相同而原子量差别很大有几种情况，一种是同位素；另一种是外层壳粒相同而内层壳粒数包含在核内计算；再一种是在不同天体环境条件形成的同类元素往往有差别。这三种情况下原子光谱相似，但整个谱线系移位。如质量ｍ’和ｍ＂的同位素的波长相对移动的量值为
△λ／λ＝ｍ△Ｍ／Ｍ²
其中△Ｍ＝Ｍ－Ｍ’为两种同位素的质量差，Ｍ为平均质量。ｍ为同元素原子壳粒质量，对于原子中ｚ个壳粒可以想象为最外层壳粒外，内层壳粒与原子核一起看作核，当其内壳层失去一个壳粒，处于交换不平衡，就有趋于平衡趋势，即具有电性或由外层壳粒跃迁进去，特别ｋ、Ｌ、Ｍ等壳粒跃迁所产生的光谱是能量较大的量子，即ｘ射线，一般核子数愈大所辐射能量愈大。
ｈν＝α（ｚ－ｂ）²
对于核子对数ｚ的同一谱系ｂ为常数。表明α对于同一条谱线而言是恒量。这样原子量或原子核子对数愈大所辐射频率愈高或能量愈大，具有紫移性质。可见不同质量同元素原子谱线是有差别的，元素谱线移动表明天体所形成同类元素环境条件不同使其质量有所差别。质量大者紫移，质量小者红移。但红移又因光子长距离运行衰弱，因此远距离光的传播通常处于红移。
    物体受外界的激发后而发光的现象称为微光现象，物体原子或分子在被激发时吸收了外界的能量使原子或分子从正常状态过渡到受激状态，而当原子或分子回到正常状态或能级较低的受激状态时发出的光，称为微光。气体的微光学谱是线状光谱，液体和固体的微光光谱是由较宽的连续的若干光带所组成的带状光谱。微光受激方式各不相同，如光致发光、阴极微光、放射性微光、ｘ射线微光、化学微光等。光致发光是光照射引起物体原子或分子受激状态。若外光源照射停止时微光几乎同时停止的称为荧光。若外光源停止照射时发光仍继续相当一段时间的微光称为磷光。一般说来微光波长和激发光波长不一样，因壳粒跃迁到不太低能级后才回到正常状态，而且几次受激壳粒跃迁往往延续一定时间，称有限衰减时期。同温度的微光发光亮度大于热辐射，这是因为常温下微光光谱多半在可见光范围而热辐射则多半处在红外线范围。
    分子光谱与原子光谱分别是了解内外结构的基本途径，分子光谱与原子光谱有许多不同的地方，表明它们结构很不同的。原子光谱是由谱线组成的，一光谱系的谱线间隔大，仅只在谱系极限端分布愈来愈密，而那里强度又较弱。但分子光谱一般分布线系的数目极多，每一线系的一端很密，以至难以分辨，如同连续的光谱带，是一系列带光谱。分子光谱的波长范围主要由远红外线或较近红外线，还有可见光和紫外线部分，且以带光谱方式呈现。带光谱有由分开的各光谱线组成的分子光谱。这一点也表明分子量统计性质。有由数个光带组成的光带组和有数个光谱带组成的分子光谱。它们都是由分子平动、转动、振动和分子的壳粒定态轨道之间跃迁所成的。而且三者互相牵制而构成复杂光谱系列。
参考资料：
1、《物性论=自然学科间交叉理论基础》 陈叔瑄著  厦门大学出版社1994年月12月出版
2、《物性理论及其工程技术应用》 陈叔瑄著  香港天马图书有限公司2002年月12月出版
3、《思维工程=人及智能活动和思维模型》 陈叔瑄著  福建教育出版社1994年6月出版
4、《论基本粒子基础问题》陈叔瑄著 《科学（美国人）》中文版1998

小疤

老大，学术性太强了。