第二节 微观物理形态的中介性
在常规物理形态中的事物，无一不是其他事物的中介，那么微观物理形态中的事物又怎样呢？
20世纪20年代初，科学家们已经知道，原子是由外围的电子和内部的原子核构成的；原子核是由不同数量带正电的质子和不带电的中子等组成。可以想见，如果在某种环境中只有电子和中子，可能电子根本就不会黏附在中子周围。中子之所以会成为被电子围绕的对象，是因为电子需要和中子在一起的并且带正电的质子。因此，对电子和中子而言，质子是它们的中介。
然而，化学反应之所以仅对外围的电子数有影响，却完全奈何不了原子核，是因为质子和中子之间存在着巨大的凝聚力（核力）。据计算，如果人们仅用质子和中子制作成一张纸，那么要想将这张纸撕破，大约需要采用几百个火车头！如此大的凝聚力是怎样形成的呢？这个难题于1935年被年轻的日本物理学家汤川秀树猜穿。他认为，核力是由于质子和中子之间交换某种新的粒子引起的。不久，汤川秀树的推测被科学家的实验所证实，这种粒子就是介子！显然，介子在中子和质子间也起着不可或缺的中介作用。
1954年，美国科学家在一台质子同步加速器中第一次观察到了反质子。1959年，我国著名物理学家王淦昌教授领导的研究组首先发现了一种叫反西格马负超子的反粒子……现在，人们已经知道，所有的微观粒子都具有反粒子，惟独光子的反粒子就是它本身。这意味着什么呢？如果，我们将所有的数字按照顺序排列起来，我们会看到什么呢？我们会看“1”、“2”、“3”……直到无限；而所有的这些数字都有他们的“反”数，即“－1”、“－2”、“－3”……直到负的无限。然而，惟有一个数字列外，那就是“0”。因为“0”这个数的负数也就是它的正数。“0”的特性难道与“光”的特性是一种巧合吗？不管怎样，至少这种一致，似乎给了我们某种启示，即光或许就是所有正负基本粒子的基础，因而它也就是所有正负基本粒子的中介！就好像人有左手和右手，左眼和右眼，却只有一个身体、一个鼻梁一样。从这个意义上来看待光，我们或许就不会对光具有人类已知最快的速度和既是波、又是粒子的双重特性感到惊讶了！
我们再来看看原子的外部。为能够了解原子外部电子的基本特性，我们必须先花一点时间，介绍一下目前科学家已知的电子活动情况。
一般的读者都会认为，原子外部的电子是无休止地在各自的轨道上绕着原子核旋转的，即如太阳系的行星环绕太阳一样。其实这种原子模型早在上世纪20年代就被“电子云”模型所取代了。然而，单个的电子怎么会是云状呢？这是因为，科学家们在长期的实验中发现，电子在原子核周围运动，从宏观上来讲是有一定范围的，但从微观上来讲，完全捉摸不定。
每次观测原子核周围的那个电子时，它都在不同的位置上出现，完全没有规律可寻。但如果我们将五张图叠在一起观察时，情况就如下面图一所显示的那样，电子每次出现都在离原子核一定的距离之内。而当我们将同样的测试做得更多，结果我们会看到，在原子核周围形成了一个有规律的电子圈。这也就是科学家们所谓的电子云。虽然这个称谓也未必最准确，但它却足以使我们对电子的活动有了新的认识。
而用以支撑“电子云”模型的理论基础，则是量子力学理论。
1900年，德国物理学家，量子力学的创始人普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858－1947）根据当时黑体辐射的精确实验资料，找到了能够完满表示黑体辐射的新公式，却不能用连续的能量流这一经典物理学的观念，从理论上寻找出这个由经验得来的公式。于是他异想天开地放弃了人们所感知到的那种像水一样连续不断的能量观念，设想，能量是有最小单位的。在这个最小单位状态上，能量流便不是连续的了，而是呈一单位、一单位地“拼接”着的。换句话说，如果它是从某个能量源里流淌出来（如从火里流淌出热能或从灯丝里流淌出光能），那么它只会一单位、一单位（仿佛一个乒乓球接着一个乒乓球）地释放出来，而不可能连绵不断地像水那样流出来。这个最小的“单位”（或者说最小的能量体积）就是能量子，亦即量子。普朗克正是依靠量子这个概念，在理论上圆满导出了解释黑体辐射的公式。
然而，这个理论对于光、电等所有能量所显示出来的波粒二象性还不能给予数学形态的准确解释。使量子力学得以最终确立的，是20世纪20年代的一批年轻的科学家，其中有德国的海森堡（Werner Heisenberg，1901－1976）、奥地利的薛定谔（E.Schr dinger ，1887—1961）等。他们有的从偏重粒子的角度建立了矩阵力学；有的从偏重波的角度建立了数学模式的波动方程，共同对能量的波粒二象性进行了数学描述。后来他们发现，大家的努力殊途同归。只要运用数学“变换”，两种理论的结果，可以进行相互转换。
原子外围电子活动模型，就是在量子力学的支撑下建立起来的。由于，不同正常原子其外围的电子数也是不同的，即如元素周期表所显示的那样，最少的氢原子外围只有一个电子，而最多的人类预知原子外围当有一百多个电子。电子在聚集到原子核外围时，并非凑合在一起就算了，而是有着十分精确的规律。它们的表现，在某种程度上与宏观世界也差不多，即如人们围着一只火炉取暖，在空间许可的情况下，大家都靠近火炉并分享着相对均等的间距；当靠近火炉的位置全部站满了，再来的人就只能站在外面了，从而形成了第二层；等到第二层也站满了，那么就开始站第三层……如此类推。当然，在某种情况下，里层的人还没站满，就有人站到外层去了，也是可以理解的。比如火炉是有一个窗口的，靠窗口那边比较暖和，因此，如果有人是站在火炉背离窗口的那一边，即便是第二层，也没有站在靠近窗口那面第三层位置更暖和，于是，他就会放弃第二层的位置，先去占领第三层靠窗口的位置。等第三层靠窗的好位置也没有了，后继的人才去把第二层背离窗口的空位站满。
电子在原子核外面也是这样，第一层最多只能容下2个电子，第一层满了便开始占第二层。第二层最多只能容下8个电子，占满后便开始占第三层。第三层原本可以容下18个电子，但到第八个电子时，第四层当中有更好的位置，于是后来的电子就先去占第四层的好位置去了。等到第四层好位置占完了，再来的电子又回过头来占第三层剩下的十个位置。这回，第三层占满了就又接着去占第四层。第四层原本可以占到32个位置，但当占到第18个位置时，第五层的好位置又显得比第四层剩余的位置更有利些，于是后来的电子又开始放弃第四层，直接占到第五层去了。待第五层的好位置占完了，新来的电子们又去占第四层剩余的位置了；第四层也满了，后继的电子又开始去充填第五层剩余的位置……
前面已经说过，原子外围电子数的多少，是取决于其内部原子核所拥有的质子的数目。而在质子数目一定的情况下，外围后加入的电子，是以前面已有电子存在的状况，决定自己将如何落脚的（即究竟是占于哪一层上）。假如我们按电子加入原子的先后给它们做上编号，最先加入的为1号，次之为2号……以此类推。我们就不难看出，1号电子至少在质子和2号电子之间充当了中介作用。否则，2号电子完全可以占据1号电子的位置。同样，2号电子又在1号电子和3号电子之间起到了中介作用，甚至它还在质子和3号电子之间也起到了中介作用，这便是更复杂的中介影响力了。
事实上，一个电子在加入到原子中去的时候，据量子力学的研究表明，至少有四种力在起作用：
第一种是电子本身抵抗原子核吸引的力量，这种力量越大，电子就离原子核越远。
第二种是电子在具体层面上，与同层的其他电子互相挤压的力量。当一个层面上有三个或四个电子时，它们之间彼此的挤压，会导致电子云变形，由原先的圆形，变成了哑铃形或花瓣形等等。
第三种是电子彼此排斥或吸引的力量。这会影响电子云向哪个方向延伸。
第四种是电子自己旋转的力量。电子是有自转方向的，因此，两个同方向旋转的电子是互相排斥的；而两个反向旋转的电子可以和平共处，故能够共同组成一个电子云。
由此，我们不难想象，当一个电子加入到某一原子中去的时候，其周围的电子不仅会受到影响，而且还会将这种影响传递给其他电子或原子核。因为，原子是否接受某个电子加入（被攻击除外）并不是无条件的。只有当这个电子加入后，会降低原子的能量消耗，使其内部更稳定时，原子才会接受它。因而，就原子的综合形态而言，当一个电子加入其中时，该电子实际上就是那个原子从原先的形态变为新形态的中介。
此外，原子核外围的电子还会成为其他事物发生变化的中介。就拿我们某些物质的颜色来说吧：
构成某物质的原子如果是属于在不同电子云里只有单个自旋平行电子的离子，那么其基态（冷静状态）和激发态（活跃状态）之间的能量差是比较小的。据量子力学的解释，一般可见光所具有的能量就足以将该物质所含离子中电子云的“基态”变为“激发态”。而所有的光都是具有一定波长的。这种波长也就是我们所谓的颜色，如4000-4250埃的光就是紫色，6470-7600埃波长的光就是红色等等。阳光中含有各种波长的光，因而它通常是显示白色的。如果一种物质能够将所有波长的阳光都反射出来，那么它也就呈现为白色；反之，倘使它将所有波长的光都吸收进去，那么它便呈现为黑色。
不过，上述那种由不同电子云里只有单个自旋平行电子之离子组成的物质，其离子中电子云的基态和激发态之间恰好只能容纳某些波长的光，而拒绝另一些波长的光。假如照射在它上面的阳光中，波长在5000-5600埃绿色光介入（吸收）了电子云的激发，而其余波长的光被反射出来，那些被反射的光综合在一起便呈紫红色。于是，我们看到的那个物质就是紫红色的。在这里，我们清楚地看到，原子外层的电子，对来自外界不同波长的光线，起到了分离的中介作用。
电子的中介作用还不仅于此，它最伟大的作为，当属充当原子核的中介，使各种原子核以不同的方式结合在一起，从而将自然界的物质，变得无比丰富多彩。
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