經(jīng)過多版修改，論文基本成型。

新版增加了對“正負(fù)電子湮滅生成光子”的解釋。

這一解釋與光速不變原理相悖，認(rèn)為光速可變。（靜止的光子（正負(fù)電子對/正電子素/電子偶素/positronium）與光速的光子（正負(fù)電子對/正電子素/電子偶素/positronium）碰撞，根據(jù)能量守恒，生成一對根號(hào)1/2光速的光子（假設(shè)角動(dòng)量不變）。）

推測背景輻射與光速來源于質(zhì)子，伴隨核聚變而生。（這一點(diǎn)對應(yīng)原子序數(shù)與相對原子質(zhì)量的關(guān)系）

正式版如下：

光子的雙電子互旋結(jié)構(gòu)與電子交換原理

Aby·DL

摘 要：

????????現(xiàn)代光學(xué)理論存在兩點(diǎn)不合理：一是認(rèn)為電子可以吸收、釋放光子的同時(shí)，認(rèn)為電子可以反彈光子。二是在解釋波粒二象性時(shí)，使用疊加態(tài)理論，認(rèn)為測量行為可以決定物質(zhì)的形態(tài)。事實(shí)上，光子是互相環(huán)繞的正負(fù)電子對。物質(zhì)發(fā)光原理是：光子與電子反應(yīng)，改變了光子和電子的能量，產(chǎn)生了發(fā)光現(xiàn)象和電子躍遷。龔祖同先生早于1999年發(fā)表《光子結(jié)構(gòu)論》一文，就將光子描述為由原子提供的正負(fù)粒子組成的類氫結(jié)構(gòu)。光子具有隱性不穩(wěn)定性：電子與光子中的同性電子能夠發(fā)生互換，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。利用光子的正負(fù)電子對互旋結(jié)構(gòu)，以及光子的電子交換原理，可以有效解釋光子的能量傳遞效應(yīng)。這一理論能夠有效解釋光電效應(yīng)、光的偏振、衍射干涉、發(fā)光原理、物質(zhì)顏色等，以此來檢驗(yàn)理論的正確性。

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關(guān)鍵詞：電磁波；光子；光子結(jié)構(gòu)；正負(fù)電子對；波粒二象性；電子交換

中圖分類號(hào)0431.1? ???????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

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0? 引言

?????? 簡單回顧一下光的認(rèn)知過程。根據(jù)文獻(xiàn)記載，我國春秋戰(zhàn)國時(shí)代，墨翟便開始觀察光。那時(shí)候人們認(rèn)識(shí)了光的簡單的性質(zhì)：直線傳播、反射和折射。歐幾里得在《光學(xué)》中也有類似描述。但在我國古代，光學(xué)的研究僅僅萌芽，并未深入。真正開始研究光的性質(zhì)的，是荷蘭數(shù)學(xué)家斯聶耳和法國的笛卡爾，他們發(fā)現(xiàn)了光的折射定律，嘗試用幾何來研究光。費(fèi)馬于1657年完善反射定律和折射定律。之后哥里馬和胡克又觀察到了光的衍射現(xiàn)象，波動(dòng)光學(xué)由此開始。十八世紀(jì)初，牛頓首次用三棱鏡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光的色散，證明自然光是復(fù)合光，并發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)。牛頓環(huán)是光的波動(dòng)性的有力證據(jù)，但牛頓更傾向于光的粒子說，所以直到十九世紀(jì)，英國醫(yī)生楊才利用光的波動(dòng)性解釋了牛頓環(huán)，并用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象。英國人馬呂斯于1808年發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)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終證明。英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)法拉第效應(yīng)——即偏振光在磁場中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。麥克斯韋建立電磁場理論，認(rèn)為光是一種電磁波。法國科學(xué)家索菲在1862年利用旋轉(zhuǎn)鏡法測量了光速。之后人們發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，普朗克在此基礎(chǔ)上提出量子論，愛因斯坦同樣以量子觀念解釋了光電效應(yīng)。至此，光學(xué)理論基本成型?，F(xiàn)代科學(xué)又發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子對可以湮滅，產(chǎn)生光子，以及光子可以產(chǎn)生正負(fù)電子對。但對于光子結(jié)構(gòu)，目前仍處于理論階段。

?????? 多年來，人們試圖利用模型，來解釋光的各種現(xiàn)象，也因此誕生了關(guān)于光的各種理論。例如“薛定諤的貓”所描述的疊加態(tài)理論。該理論認(rèn)為，光在被觀察以前，處于粒子與波的疊加狀態(tài)，被觀察后，疊加狀態(tài)坍縮，光坍縮成粒子或波。這種理論，把隨機(jī)性當(dāng)成了微觀粒子的內(nèi)稟屬性，電子雙縫衍射實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證該理論的一種理想實(shí)驗(yàn)。然而，正如愛因斯坦所說——也正如大部分人所想：上帝不會(huì)擲骰子。宏觀世界不存在“即死又活的貓”，組成宏觀世界的微觀粒子，也不應(yīng)該存在“即死又活”的狀態(tài)。

?????? 為了解釋光的各種特征，下文將給出光子的一種結(jié)構(gòu)模型，并以此模型來解釋光的各種性質(zhì)和能量輻射的過程。

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1 光子結(jié)構(gòu)模型與性質(zhì)

?????? 康普頓于1923年在X光散射實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)X光波長隨散射角度變化的現(xiàn)象，被稱為康普頓效應(yīng)。按照經(jīng)典電磁理論，散射前后光頻率應(yīng)該保持不變，不應(yīng)出現(xiàn)波長變長的散射光。

????????后來利用光的量子假說，有效的解釋了康普頓效應(yīng)：光子與電子彈性碰撞，導(dǎo)致光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，從而頻率變低。

????????這里把光與電子的碰撞，解釋為彈性碰撞。但彈性碰撞無法解釋法拉第效應(yīng)，同時(shí)在解釋物質(zhì)發(fā)光、顏色時(shí)也有一定困難。

????????量子理論對物質(zhì)顏色的解釋是，物質(zhì)吸收特定頻率的光，而非彈性碰撞。物質(zhì)表現(xiàn)為紅色，是因?yàn)槲镔|(zhì)吸收其他頻率的光，而不吸收或少量吸收紅色光。這里將光子當(dāng)做電子躍遷的產(chǎn)物。這一理論又無法解釋康普頓效應(yīng)中，散射頻率與散射角的關(guān)系。

1.1 光子的雙電子互旋結(jié)構(gòu)模型

????????電磁波是一對以光速傳播的互繞正反電子對。光子結(jié)構(gòu)如圖所示：? ? ? ? ? ? ? ?

1.1.1光子形態(tài)

????????光子是一對互相旋繞的正負(fù)電子對。這里用γ表示光子，e+表示正電子，e-表示負(fù)電子。

1.1.2? 光子形成的原理

????????一對正負(fù)電子，在相互靠近時(shí)，電引力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，正負(fù)電子互相環(huán)繞，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，即正電子素。以光速c運(yùn)動(dòng)的光子，與靜止的光子碰撞，發(fā)生電子互換。假設(shè)角動(dòng)量不變，根據(jù)能量守恒定律，碰撞后的兩個(gè)光子的傳播速度約為根號(hào)下1/2倍光速c。

1.1.3? 光子的結(jié)構(gòu)

????????光子是相互環(huán)繞的正負(fù)電子對，正負(fù)電子自旋相同，由于磁矩作用，正負(fù)電子互繞面與磁矩方向垂直。

1.1.4 ?光子的性質(zhì)

?????? 1）電中性：正負(fù)電荷相互抵消，表現(xiàn)為電中性。

?????? 2）磁中性：磁矩相互抵消，表現(xiàn)為磁中性。

?????? 3）互繞性：光子中的正負(fù)電子對互繞運(yùn)動(dòng)，互繞速度越快，能量越高，表現(xiàn)為頻率越高，波長越短，正負(fù)電子對越容易分離。

?????? 4）電子交換性：光子極易與電子反應(yīng)，產(chǎn)生新的光子和新的電子，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。

1.1.5 ?光子的生成：

????????1）正負(fù)電子對相互吸引產(chǎn)生靜止的光子。

?

????????2）靜止的光子與光速運(yùn)動(dòng)的光子電子交換，生成一對根號(hào)1/2光速的光子。

1.1.6?光子分解：

????????光子吸收能量，可以使正負(fù)電子對脫離互繞運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)勢能。如兩個(gè)高能光子相互作用，生成一對正負(fù)電子，以及一個(gè)低能級的光子：

? ? ? ?↓其中表示能量降低。

1.1.7? 光子的電子交換

?????? 光子與電子足夠接近時(shí)，會(huì)發(fā)生電子交換，如圖所示：

????????初始狀態(tài)存在多種情況，轉(zhuǎn)換的詳細(xì)過程較為復(fù)雜，此圖只用于理解電子的交換理論。偏轉(zhuǎn)角度與光子中電子的角動(dòng)量和自由電子垂直于光傳播方向的動(dòng)量的差值成正比。

1）光的降頻反應(yīng)：高能級光子靠近低能級電子時(shí)，光子中相反電性的電子與低能級電子結(jié)合，形成一束低能級光子和一個(gè)高能級電子。

?????? 其中↓表示能量降低，↑表示能量提高。

?????? 2）光的升頻反應(yīng)：低能級光子靠近高能級電子時(shí)，光子中相反電性的電子與高能級電子結(jié)合，形成一束高能級光子和一個(gè)低能級電子。

?????? 其中↓表示能量降低，↑表示能量提高。

????????以上即是光子的結(jié)構(gòu)模型及性質(zhì)。推測：背景輻射的光子以及光速來源于質(zhì)子，與核反應(yīng)有關(guān)。

1.2 原子的外層電子排布

????????原子外層電子分層排布，每個(gè)能級電子的角動(dòng)量不同。

????????原子序數(shù)大于1時(shí)，由于磁場作用，電子以電子對方式環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。

????????比如氦原子，有兩個(gè)電子，一個(gè)電子正旋，另一個(gè)電子必然逆旋。兩個(gè)電子處于同一能級，角動(dòng)量相似。

????????光與正、逆旋的電子產(chǎn)生交換后，會(huì)形成對稱的偏轉(zhuǎn)角。

2 利用光子結(jié)構(gòu)模型研究電磁波性質(zhì)

????????根據(jù)以上模型，可以解釋電磁波的性質(zhì)：

2.1 ?光電效應(yīng)

????????光電效應(yīng)是指：在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電。

????????光電效應(yīng)的電子交換解釋：一束高能級光子，光子中電子能量高于原子外層電子能量，光子與原子外層電子足夠接近時(shí)，發(fā)生電子交換，光子吸收原子外層的低能級電子，釋放一個(gè)高能電子。釋放的電子能量足夠高時(shí)，會(huì)脫離原子核形成自由電子，產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

????????當(dāng)滿足：Eγf -?Eγb?> W0?時(shí)，會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。Eγf表示原光子能量，Eγb表示電子交換后光子能量，W0表示電子逸出功（最外層電子）。

2.2 ?光偏振

?????? 光的偏振一般指光的電矢量偏振，光波電矢量振動(dòng)的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象。光有三種偏振：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光。

?????? 光偏振的互繞性解釋：互繞運(yùn)動(dòng)的電子對，當(dāng)互繞面平行于電磁波方向時(shí)，表現(xiàn)為線性偏振光；當(dāng)互繞面垂直于電磁波方向時(shí)，表現(xiàn)為圓偏振光；當(dāng)互繞面與電磁波方向存在不垂直的夾角時(shí)，表現(xiàn)為橢圓偏振光。

?????? 線偏振波動(dòng)圖像如下圖所示：

?????? 其中一條線代表正電子，另一條線代表負(fù)電子，兩段波的錯(cuò)位為正負(fù)電子間距。

2.3 單縫衍射、雙縫干涉

????????光在通過與波長相近的狹縫時(shí)，可以觀察到衍射條紋。

????????這是由于狹縫的寬度很小，通過狹縫的光中，會(huì)有較大比例的光子與狹縫邊緣的電子產(chǎn)生電子交換。電子交換后，傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)原子的電子分布，形成對應(yīng)的條紋。

????????使用不同物質(zhì)做單縫材料，如銀（電子排布2、8、18、18、1）、鋁（電子排布2、8、3）和碳（電子排布2、4）、鋰（電子排布2、1）等，進(jìn)行光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)。理論上會(huì)出現(xiàn)不同數(shù)量的衍射條紋。

????????雙縫干涉可以看作單縫衍射條紋的疊加。

2.4 ?法拉第效應(yīng)

????????法拉第效應(yīng)是指：當(dāng)一束平面偏振光通過置于磁場中的磁光介質(zhì)時(shí)，平面偏振光的偏振面就會(huì)隨著平行于光線方向的磁場發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

????????法拉第效應(yīng)的電子交換解釋：

????????1）磁光介質(zhì)中的電子處于磁場中，由于電子自旋的磁矩作用，介質(zhì)中的電子自旋方向會(huì)與磁場形成夾角。

????????2）線偏振光中正負(fù)電子對，互繞面與電磁波方向在同一平面，故正負(fù)電子的自旋方向與電磁波方向平行。

????????以上兩種電子，自旋方向不平行。在法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，偏振光捕獲電子形成新的光子。新生成的光子中，由于正電子與捕獲的電子自旋方向存在夾角，在磁矩作用下，正負(fù)電子對自旋與互繞面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，會(huì)以新的互旋平面相互旋繞，與原互旋平面形成法拉第旋轉(zhuǎn)角。

????????法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，對縱向線偏振光磁光介質(zhì)施加垂直于光傳播方向的縱向磁場，或?qū)M向偏振光磁光介質(zhì)施加垂直于光傳播方向的橫向磁場，理論上也能夠產(chǎn)生法拉第旋角。

2.5 ?化學(xué)反應(yīng)發(fā)光

????????部分劇烈的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)發(fā)出光。以氫氧燃燒反應(yīng)為例，氫氧原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，氧原子中的電子，因被氫原子中質(zhì)子捕獲而被激發(fā)，躍升到高能級。處于高能級的電子捕獲低能級電磁波（如宇宙微波背景輻射中的電磁波），產(chǎn)生高能級光子，和低能級電子。電子能級變低表現(xiàn)為物質(zhì)溫度降低；光子的互繞速度變大，達(dá)到可見光波長。

2.6 ?物質(zhì)顏色的光學(xué)原理

????????顏色對應(yīng)的是光的波長。不同波長的光，被人眼識(shí)別為不同的顏色。物質(zhì)在自然光下表現(xiàn)為特定顏色，其本質(zhì)是：物質(zhì)中的電子，其能量與特定波長的光子能量相似。以銅為例，銅在自然光下表現(xiàn)為紫紅色，是因?yàn)樽匀还庵?，紫紅色波段的光子，與銅發(fā)生電子交換后，光子頻率仍處于紫紅色波段。而其他頻率的光子，與銅發(fā)生電子交換后，頻率會(huì)向紫紅波段靠攏。這也能說明黑色吸熱快與白色吸熱慢的原因，黑色物質(zhì)電子平均能量較低，白色物質(zhì)電子平均能量較高。

????????光的電子交換是實(shí)現(xiàn)能量傳遞的最重要的方式，由于宇宙微波背景輻射的普遍存在，物質(zhì)時(shí)刻在進(jìn)行著與光子的電子交換，所以物質(zhì)在外太空會(huì)快速降溫。假如完全屏蔽電磁波，不考慮其他熱輻射形式的影響，屏蔽的物體溫度應(yīng)當(dāng)保持不變。

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3 結(jié)論

????????光子是雙電子互旋結(jié)構(gòu)，且光子隱性不穩(wěn)定，能夠與電子發(fā)生電子交換。利用光子的雙電子模型，可以有效的解釋已知的光學(xué)現(xiàn)象：光電效應(yīng)、偏振、折射、衍射、干涉、康普頓效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、發(fā)光原理、物體顏色的光學(xué)原理、波粒二象性原理、正負(fù)電子湮沒生成光子、光子分解為正負(fù)電子等。同時(shí)也適用于光的電中性、磁中性、自旋為1等特征。

????????在此模型中，原子外層電子的角動(dòng)量是表現(xiàn)物質(zhì)溫度的量，光子會(huì)攜帶與之發(fā)生電子交換的電子的信息，被人眼識(shí)別為顏色，再轉(zhuǎn)移給下一個(gè)與之發(fā)生電子交換的物質(zhì)。

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參考文獻(xiàn)：

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致謝！