第一章  原子中内层能量高，外层能量低

迄今，物理学界“跃迁”理论认为：（1）、电子由外壳层向内壳层“跃迁”，辐射的能量；电子吸收的能量，则向外层“跃迁”。（2）、原子中内层能级低，外层能级高，电子在稳定轨道运动，不辐射能量。

事实果真如此吗？

首先，我们分析上述（1）：电子由外壳层向内壳层“跃迁”，辐射的能量；电子吸收的能量，则向外层“跃迁”。这就是说辐射能量是向内“跃迁”的结果，而吸收能量则是向外“跃迁”的原因。这里显然存在不对称性。

根据因果律的对称性，似乎应该是，既然吸收能量是向外跃迁的原因，那么辐射能量也应该是向内跃迁的原因，而不是向内跃迁的结果。即，电子轨道运动首先是吸收能量或辐射能量，而后才能发生向外或向内的跃迁。

吸收能量，原子被激发，电子由低能级向高能级跃迁如果是正确的话，那么辐射能量，原子能态跌落，电子由高能级向低能级跃迁，才应是正确的推理。但是迄今所有的教科书都认为，电子首先由高能态向低能态（或基态）跃迁，而辐射能量是跃迁的结果。那么跃迁的原因是什么呢？

其次，我们分析上述（2）：原子中内层能级低，外层能级高。我认为这也是错误的。

我们先看电子轨道运动的“动能”。

　　　　n＝1，2，3，…　　　　　（1.1）

式中　为电子质量；为电子在第n轨道的运动速度；n为量子数。

《原子物理学》教科书中（褚圣麟，高等教育出版社，1990）根据玻尔量子理论推得电子轨道运动的半径和速度公式为

　　，　　n＝1，2，3，…　　　（1.2）

　　，　　　n＝1，2，3，…　　　（1.3）

由式（1.2）我们看到，电子轨道运动的半径与成正比。就是说，n越大电子运动的半径越大，电子越靠外层。而由式（1.3）我们看到，电子轨道运动的速度是与量子数n 成反比的。即n 越大，越小。这样我们得到结论：

电子越靠外层，动能越小。

我们再看电子在原子体系库仑场中的势能。

让我们先来看一下弹簧振子的位能。弹簧振子的力表示为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1.4）

式中　K为比例系数；X为位移。

弹簧振子的“位能”通常认为是

　　　　　　　　　　　　　（1.5）

由式（1.4）和（1.5），我们看到弹簧振子的张力是与位移X成正比的，势能是与X ²成正比的。即位移X越大，力f也越大，因而位能也越大。

然而，电子在原子核的库仑场中运动，情况却不同。电子所受的库仑力为

　　　　　　　　　　　　　　　 （1.6）

力f是与r²成反比的。r越大，力f越小，因而可以想见与力和位移有关的势能也应随着r的增大而减小。

因为弹簧振子的力随位移X的增大而增大，而电子受到的库仑力却随r的增大而减小。一个是与位移X成正比，一个却是与半径r的平方成反比。这种不同的特点，使我们想到在求解势能时应有所区别。

原子核与电子间的库仑力为（1.6）式，体系的势能在形式上等于力与r的乘积，我们有

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1.7）

将（1.6）式代入（1.7）式得势能为

　　　　 　　　　　　　　　　 （1.8）

这里需要说明一下，为什么势能我们用（1.7）式来求，而不是像教科书那样用功能原理导出势能的变化，再定义势能。即克服库仑力做功为

　　　（1.9）

因而势能被定义为

　　　　 　　　　　　　　　 （1.10）

这样一来能量变为负值了，我们把这个问题甾到下章再说。

如果原子核与电子间的库仑力f不变，则由（1.7）式可见，势能应与r成正比，r越大势能越大。这相当于重力势能的情况，假设地面重力g为常数，不随高度变化，则重力势能是与h成正比的。

但是，由（1.6）式因为库仑力是与r²成反比的，因而势能Er由（1.8）式看出是与r成反比的。即r越大，Er越小。这样我们得到结论：

电子越靠外层，势能越小。

电子轨道运动的机械能等于动能与势能之和

　　　　　　　　　　　　　　　　　（1.11）

既然电子轨道运动越靠外层动能和势能都越小，那么应该是内层能级高，外层能级低。所以不应该是教科书上所说的原子中内层能级低，外层能级高。为了解决这个矛盾，教科书上都把原子体系的势能规定为负值。能量怎么会是负值呢？为了规定负能量，必须把无穷远处的势能规定为零，那么正能量就必须在无穷远之外，“无穷远”还有“之外”又怎样理解呢？

下面只要我们搞清楚原子体系中，电子的动能和势能究竟是什么，我们就彻底摆脱了“负”能量的危机。