光子的双电子互旋结构与电子交换原理（终版）

经过多版修改，论文基本成型。

新版增加了对“正负电子湮灭生成光子”的解释。

这一解释与光速不变原理相悖，认为光速可变。（静止的光子（正负电子对/正电子素/电子偶素/positronium）与光速的光子（正负电子对/正电子素/电子偶素/positronium）碰撞，根据能量守恒，生成一对根号1/2光速的光子（假设角动量不变）。）

推测背景辐射与光速来源于质子，伴随核聚变而生。（这一点对应原子序数与相对原子质量的关系）

正式版如下：

光子的双电子互旋结构与电子交换原理

Aby·DL

摘 要：

        现代光学理论存在两点不合理：一是认为电子可以吸收、释放光子的同时，认为电子可以反弹光子。二是在解释波粒二象性时，使用叠加态理论，认为测量行为可以决定物质的形态。事实上，光子是互相环绕的正负电子对。物质发光原理是：光子与电子反应，改变了光子和电子的能量，产生了发光现象和电子跃迁。龚祖同先生早于1999年发表《光子结构论》一文，就将光子描述为由原子提供的正负粒子组成的类氢结构。光子具有隐性不稳定性：电子与光子中的同性电子能够发生互换，实现能量传递。利用光子的正负电子对互旋结构，以及光子的电子交换原理，可以有效解释光子的能量传递效应。这一理论能够有效解释光电效应、光的偏振、衍射干涉、发光原理、物质颜色等，以此来检验理论的正确性。

 

关键词：电磁波；光子；光子结构；正负电子对；波粒二象性；电子交换

中图分类号0431.1                 文献标识码 A

 

0  引言

       简单回顾一下光的认知过程。根据文献记载，我国春秋战国时代，墨翟便开始观察光。那时候人们认识了光的简单的性质：直线传播、反射和折射。欧几里得在《光学》中也有类似描述。但在我国古代，光学的研究仅仅萌芽，并未深入。真正开始研究光的性质的，是荷兰数学家斯聂耳和法国的笛卡尔，他们发现了光的折射定律，尝试用几何来研究光。费马于1657年完善反射定律和折射定律。之后哥里马和胡克又观察到了光的衍射现象，波动光学由此开始。十八世纪初，牛顿首次用三棱镜实验发现了光的色散，证明自然光是复合光，并发现牛顿环。牛顿环是光的波动性的有力证据，但牛顿更倾向于光的粒子说，所以直到十九世纪，英国医生杨才利用光的波动性解释了牛顿环，并用双缝干涉实验，首次发现了光的干涉现象。英国人马吕斯于1808年发现光在两种介质面上反射时的偏振现象，菲涅斯和阿拉果在1819年提供了相互垂直的偏振光不相干涉的最终证明。英国科学家法拉第发现法拉第效应——即偏振光在磁场中的偏转现象。麦克斯韦建立电磁场理论，认为光是一种电磁波。法国科学家索菲在1862年利用旋转镜法测量了光速。之后人们发现了光电效应，普朗克在此基础上提出量子论，爱因斯坦同样以量子观念解释了光电效应。至此，光学理论基本成型。现代科学又发现正负电子对可以湮灭，产生光子，以及光子可以产生正负电子对。但对于光子结构，目前仍处于理论阶段。

       多年来，人们试图利用模型，来解释光的各种现象，也因此诞生了关于光的各种理论。例如“薛定谔的猫”所描述的叠加态理论。该理论认为，光在被观察以前，处于粒子与波的叠加状态，被观察后，叠加状态坍缩，光坍缩成粒子或波。这种理论，把随机性当成了微观粒子的內禀属性，电子双缝衍射实验是验证该理论的一种理想实验。然而，正如爱因斯坦所说——也正如大部分人所想：上帝不会掷骰子。宏观世界不存在“即死又活的猫”，组成宏观世界的微观粒子，也不应该存在“即死又活”的状态。

       为了解释光的各种特征，下文将给出光子的一种结构模型，并以此模型来解释光的各种性质和能量辐射的过程。

 

1 光子结构模型与性质

       康普顿于1923年在X光散射实验中，发现X光波长随散射角度变化的现象，被称为康普顿效应。按照经典电磁理论，散射前后光频率应该保持不变，不应出现波长变长的散射光。

        后来利用光的量子假说，有效的解释了康普顿效应：光子与电子弹性碰撞，导致光子的一部分能量转移给电子，从而频率变低。

        这里把光与电子的碰撞，解释为弹性碰撞。但弹性碰撞无法解释法拉第效应，同时在解释物质发光、颜色时也有一定困难。

        量子理论对物质颜色的解释是，物质吸收特定频率的光，而非弹性碰撞。物质表现为红色，是因为物质吸收其他频率的光，而不吸收或少量吸收红色光。这里将光子当做电子跃迁的产物。这一理论又无法解释康普顿效应中，散射频率与散射角的关系。

1.1 光子的双电子互旋结构模型

        电磁波是一对以光速传播的互绕正反电子对。光子结构如图所示：               

1.1.1光子形态

        光子是一对互相旋绕的正负电子对。这里用γ表示光子，e+表示正电子，e-表示负电子。

1.1.2  光子形成的原理

        一对正负电子，在相互靠近时，电引力势能转化为动能，正负电子互相环绕，形成稳定结构，即正电子素。以光速c运动的光子，与静止的光子碰撞，发生电子互换。假设角动量不变，根据能量守恒定律，碰撞后的两个光子的传播速度约为根号下1/2倍光速c。

1.1.3  光子的结构

        光子是相互环绕的正负电子对，正负电子自旋相同，由于磁矩作用，正负电子互绕面与磁矩方向垂直。

1.1.4  光子的性质

       1）电中性：正负电荷相互抵消，表现为电中性。

       2）磁中性：磁矩相互抵消，表现为磁中性。

       3）互绕性：光子中的正负电子对互绕运动，互绕速度越快，能量越高，表现为频率越高，波长越短，正负电子对越容易分离。

       4）电子交换性：光子极易与电子反应，产生新的光子和新的电子，实现能量转移。

1.1.5  光子的生成：

        1）正负电子对相互吸引产生静止的光子。

 

        2）静止的光子与光速运动的光子电子交换，生成一对根号1/2光速的光子。

1.1.6 光子分解：

        光子吸收能量，可以使正负电子对脱离互绕运动，恢复势能。如两个高能光子相互作用，生成一对正负电子，以及一个低能级的光子：

       ↓其中表示能量降低。

1.1.7  光子的电子交换

       光子与电子足够接近时，会发生电子交换，如图所示：

        初始状态存在多种情况，转换的详细过程较为复杂，此图只用于理解电子的交换理论。偏转角度与光子中电子的角动量和自由电子垂直于光传播方向的动量的差值成正比。

1）光的降频反应：高能级光子靠近低能级电子时，光子中相反电性的电子与低能级电子结合，形成一束低能级光子和一个高能级电子。

       其中↓表示能量降低，↑表示能量提高。

       2）光的升频反应：低能级光子靠近高能级电子时，光子中相反电性的电子与高能级电子结合，形成一束高能级光子和一个低能级电子。

       其中↓表示能量降低，↑表示能量提高。

        以上即是光子的结构模型及性质。推测：背景辐射的光子以及光速来源于质子，与核反应有关。

1.2 原子的外层电子排布

        原子外层电子分层排布，每个能级电子的角动量不同。

        原子序数大于1时，由于磁场作用，电子以电子对方式环绕运动。

        比如氦原子，有两个电子，一个电子正旋，另一个电子必然逆旋。两个电子处于同一能级，角动量相似。

        光与正、逆旋的电子产生交换后，会形成对称的偏转角。

2 利用光子结构模型研究电磁波性质

        根据以上模型，可以解释电磁波的性质：

2.1  光电效应

        光电效应是指：在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。

        光电效应的电子交换解释：一束高能级光子，光子中电子能量高于原子外层电子能量，光子与原子外层电子足够接近时，发生电子交换，光子吸收原子外层的低能级电子，释放一个高能电子。释放的电子能量足够高时，会脱离原子核形成自由电子，产生放电现象。

        当满足：Eγf - Eγb > W0 时，会发生光电效应。Eγf表示原光子能量，Eγb表示电子交换后光子能量，W0表示电子逸出功（最外层电子）。

2.2  光偏振

       光的偏振一般指光的电矢量偏振，光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。光有三种偏振：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光。

       光偏振的互绕性解释：互绕运动的电子对，当互绕面平行于电磁波方向时，表现为线性偏振光；当互绕面垂直于电磁波方向时，表现为圆偏振光；当互绕面与电磁波方向存在不垂直的夹角时，表现为椭圆偏振光。

       线偏振波动图像如下图所示：

       其中一条线代表正电子，另一条线代表负电子，两段波的错位为正负电子间距。

2.3 单缝衍射、双缝干涉

        光在通过与波长相近的狭缝时，可以观察到衍射条纹。

        这是由于狭缝的宽度很小，通过狭缝的光中，会有较大比例的光子与狭缝边缘的电子产生电子交换。电子交换后，传播方向发生偏转。根据原子的电子分布，形成对应的条纹。

        使用不同物质做单缝材料，如银（电子排布2、8、18、18、1）、铝（电子排布2、8、3）和碳（电子排布2、4）、锂（电子排布2、1）等，进行光的单缝衍射实验。理论上会出现不同数量的衍射条纹。

        双缝干涉可以看作单缝衍射条纹的叠加。

2.4  法拉第效应

        法拉第效应是指：当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。

        法拉第效应的电子交换解释：

        1）磁光介质中的电子处于磁场中，由于电子自旋的磁矩作用，介质中的电子自旋方向会与磁场形成夹角。

        2）线偏振光中正负电子对，互绕面与电磁波方向在同一平面，故正负电子的自旋方向与电磁波方向平行。

        以上两种电子，自旋方向不平行。在法拉第效应实验中，偏振光捕获电子形成新的光子。新生成的光子中，由于正电子与捕获的电子自旋方向存在夹角，在磁矩作用下，正负电子对自旋与互绕面发生扭转，会以新的互旋平面相互旋绕，与原互旋平面形成法拉第旋转角。

        法拉第效应实验中，对纵向线偏振光磁光介质施加垂直于光传播方向的纵向磁场，或对横向偏振光磁光介质施加垂直于光传播方向的横向磁场，理论上也能够产生法拉第旋角。

2.5  化学反应发光

        部分剧烈的化学反应，会发出光。以氢氧燃烧反应为例，氢氧原子发生化学反应时，氧原子中的电子，因被氢原子中质子捕获而被激发，跃升到高能级。处于高能级的电子捕获低能级电磁波（如宇宙微波背景辐射中的电磁波），产生高能级光子，和低能级电子。电子能级变低表现为物质温度降低；光子的互绕速度变大，达到可见光波长。

2.6  物质颜色的光学原理

        颜色对应的是光的波长。不同波长的光，被人眼识别为不同的颜色。物质在自然光下表现为特定颜色，其本质是：物质中的电子，其能量与特定波长的光子能量相似。以铜为例，铜在自然光下表现为紫红色，是因为自然光中，紫红色波段的光子，与铜发生电子交换后，光子频率仍处于紫红色波段。而其他频率的光子，与铜发生电子交换后，频率会向紫红波段靠拢。这也能说明黑色吸热快与白色吸热慢的原因，黑色物质电子平均能量较低，白色物质电子平均能量较高。

        光的电子交换是实现能量传递的最重要的方式，由于宇宙微波背景辐射的普遍存在，物质时刻在进行着与光子的电子交换，所以物质在外太空会快速降温。假如完全屏蔽电磁波，不考虑其他热辐射形式的影响，屏蔽的物体温度应当保持不变。

 

3 结论

        光子是双电子互旋结构，且光子隐性不稳定，能够与电子发生电子交换。利用光子的双电子模型，可以有效的解释已知的光学现象：光电效应、偏振、折射、衍射、干涉、康普顿效应、法拉第效应、发光原理、物体颜色的光学原理、波粒二象性原理、正负电子湮没生成光子、光子分解为正负电子等。同时也适用于光的电中性、磁中性、自旋为1等特征。

        在此模型中，原子外层电子的角动量是表现物质温度的量，光子会携带与之发生电子交换的电子的信息，被人眼识别为颜色，再转移给下一个与之发生电子交换的物质。

      

参考文献：

[1]曾谨言.量子力学.北京：科学出版社，2007：4，27-35，256-260，281-289， 382-401

[2]龚祖同.光子结构论.江西：光子学报，1999：2-5

[3]马科斯·玻恩（Born.M.）,埃米尔·沃耳夫（Wolf.E.）.光学原理.北京：电子工业出版社，2009：43-48

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