第八章　物质间的相互作用

§8.1　自然界存在三种力

“相互作用”的含义就是我们平时所说的力，无论是宏观物体还是微观粒子，都具有质量、电荷和磁矩，因而自然界就有三种力：，电力和磁力。

我们来研究它们之间的关系。设物质的质量为m，电荷为Q，磁矩为μ，则我们可以定义荷质比，磁电比，磁质比。

一、荷质比――物质所带电荷与其质量的比值：Q/m。

二、磁电比――物质的磁矩与其所带电荷的比值：μ/Q。

三、磁质比――物质的磁矩与其质量的比值：μ/m。

磁质比等于荷质比与磁电比的乘积：

　　　　　　　　　　　　　　（8.1）

用，，分别表示、电力和磁力，则有

　　　　　　　　　　　　　　　　（8.2）

　　　　　　　　　　　　　　（8.3）

　　　　　　　　　　　　　　　（8.4）

将这三种力进行比较，则有

　　　　　　　　　　　　　（8.5）

　　　　　　　　　　　　 （8.6）

　　　　　　　　　　 （8.7）

由式（8.5），

当时，＝，电力与万有引力相等；

当＞＞时，＞＞，电力起主导作用；

当＜＜时，＜＜，万有引力起主导作用。

式中　　（8.8）

由式（8.6），

当时，＝，磁力与电力相等；

当＞＞时，＞＞，磁力起主导作用；

当＜＜时，＜＜，电力起主导作用。

式中　　　　　　　　　（8.9）

由式（8.7），

当时，＝，磁力与万有引力相等；

当＞＞时，＞＞，磁力起主导作用；

当＜＜时，＜＜，万有引力起主导作用。

式中　　　　　　　　　（8.10）

根据磁电比Q/μ，我们可以计算一下原子核内是什么力起主导作用。我们知道核磁子是玻尔磁子的1836分之一，这样算出是数量级，而原子核的半径根据实验已知小于数量级，则为数量级，则有＞，所以在原子核内部一定是磁力起主导作用。

我们再分别计算一下光子、电子、质子的势力范围：

光子的磁电比为：；

电子的磁电比为：；

质子的磁电比为：。

由式（8.9）我们可以计算出它们的势力范围：

　　　　；

　　　　；

　　　　。

上述是同类粒子（即光子与光子，电子与电子，质子与质子）相互作用的势力范围，我们再看电子与质子相互作用的势力范围：

　　。

可见光子极小，其势力范围（磁力等于电子时）却很大。同时可见质子的实体半径不会超过数量级，而质子是由正电子和中性光子团组合而成，所以电子的实体半径比数量级更小。原子核是由质子和中子组成，考虑到核子数量的增加，电的斥力将增加，同时核的质量增加，磁矩发生变化，从而磁电比发生变化，总的趋势是磁电比增大，所以原子核的半径（势力范围）应在数量级左右，即在～数量级之间。

由于核子归根结底都是由光子组成的，核内的相互作用就是光子及其组态之间的磁力作用。由式（4.10）知光子对的回转半径是数量级，核子是由大量的光子、光子对和光子团复合构成的。如果它们之间的作用距离r＝数量级，则算得磁力为［牛顿］数量级。当r＞数量级时，电力起主导作用。因磁力与成反比，磁力迅速下降，可见磁力是极强的短程力。

磁力线和电力线不同，静电场的电力线是有头有尾的发散线而磁力线是无头无尾的闭合线，因此磁力呈现饱和性。

由于光子可以组成无心的光子对和光子团，也可以组成有心的光子团，所以原子核中是有心力与无心力的混合。上述这些情况都与实验相符。

§8.2　力与物质的运动有关

牛顿力的表述为

　　　　　　　　　　　（8.11）

可见，力不但与质量有关，还与运动速度以及作用时间t有关。力与速度和作用时间有关，说明力与物体的运动状态有关。世间万物都在运动，物质具有质量、电荷和磁矩因而具有三种力。这些力和运动一起形成物质间的相互作用――引力和斥力；向心力和离心力。由物质间的万有引力、电力和磁力以及物质运动相互作用的结果，当这些力处于的平衡状态时，就构成稳定的体系；当这些力的平衡破坏时，体系则瓦解。自然界大到宏观物体的运动，小到微观粒子的衰变都应该是物质间三种力也即物质的运动所形成的引力和斥力；向心力和离心力相互作用的结果。

§8.3　动量是物体惯性的量度

由上述式（8.11）可知力等于物体的mv对时间的变化率。动量不变，作用时间越短，力越大。反之，作用时间不变，动量越大，力越大。时间我们不去说它，我们来看动量是什么？设P为动量，则

　　　　　　　　　　　　　　（8.12）

动量等于质量与速度的乘积。质量是物体惯性的量度，速度不变，质量越大，惯性越大。同理速度也应是物体惯性的量度，质量不变，速度越大，惯性越大，这是我们常常经验到的事实。作为质量和速度乘积的动量自然也就是物体惯性的量度。

力对物体的作用，使物体状态发生变化，除了与质量有关之外，还与物体的运动速度有关。