论火焰发光原理66

1、2010-02-19 11:33论燃烧与火焰广东省博罗县高级中学（516100）林海兵摘要：越是常见的事物，就越是隐藏着不为人知的秘密，也就越容 易被人们忽视，因为在人们眼里，那是不用解释的是理所当然的。关键词：燃烧，火焰，发光，发热，原子，电子，中性子波动古老的话题在我的想象之中，远古年代的人们第一次认识了火一一这是某年深 秋，一条银白色的火龙掠过，接着一声巨响，“轰隆一隆一隆”， 之后，火龙下方的森林燃起了熊熊大火，大火中野猪、山羊、毛牛、鹿 狂奔乱跑，熊熊烈火伴着“呼呼”的大风，直烧得“噼啪”作响，百兽 们一个个还是葬身于火海。大火将尽，一群全身赤裸、手持长矛状棍棒 的古人不期而至，他们

2、一个个浑身乌黑，在秋风的吹拂下不时打着颤抖。他们是为猎食而来，他们并不知道这里刚刚发生过一场大火，只是 他们远远地感觉了一阵阵地温暖，就不自觉地朝着这个方向走来了。这 里，大火虽然将尽，却依然处处冒着丝丝烟尘，还可见零零星星的火苗， 在秋风中飘逸着他们终于来到并围在火苗的旁边，那是一种在秋冬季节中从来没有 过感觉，他们叽叽喳喳着，渐渐地饥饿的他们终于想到了他们这次出行 的目的，于是他们又开始出发，就在这时，他们发现，火场处处都是烧 焦的动物的尸体。他们很快地分食着，又是叽叽喳喳的，他们从来没有 享用过这样的美味火，终于被人类认识，并被保留了下来。这可能是几万年前甚至是 几十万年前的事情了。火光

3、中的疑问火其实不但为人类带来了温暖，带来了肉香，还带来了光明！火带 来的这些实惠使我们人类产生了对火的崇拜，最终把火列为构成自然的 基本元素之一。几千几万年以来，火日日夜夜陪伴着我们渡过，成为我 们不可或缺的伙伴。也许自火被列为构成自然的基本元素之后，人们已 经认为这是一种那么常见的事物，就那么地简单。也许，正是因为如此， 人们才对这个常常见面的老朋友给予太多的重视，也许正因为这样，人 们没有正面研究过它（笔者不知道，人们是否对火的重视程度如何，有 没有象我们日常生活那样对它重视，因为在现有的教科书上我们几乎找 不到关于火的论述，笔者在图书中也同样找不到相关的资料）。越是常 见的事物，就越是隐

4、藏着不为人知的秘密，也就越容易被人们忽视，因 为在人们眼里，那是不用解释的是理所当然的。也许，人们认为，当我们把火点燃之后，它就会理所当然的燃烧起 来了。当然，有人一定会立即给予反驳，化学中不是对火的形成给予充分的论述吗？火就是剧烈的化学反应形成的！笔者认为，烈火中有剧烈的化学反应这个不假，可是，为什么剧烈 的化学反应会形成火的现象，其具体的原理如何？其具体的细节又是怎 样的？由于火给人类带来的实惠一一光明、温暖与肉香一一都来源于火 的发光与发热这两个重要特征，所以，要研究火，实质上就是研究物质 在化学反应过程中为什么会发光与发热，或者说发光与发热的原理与具 体细节是怎样的？故，问题的重点又回

5、归到发光原理？玻尔不是提出了原子核外电子跃迁的发光理论吗？按照这个理论， 我们应该如何解释燃烧中的发光现象呢？我们在日常生活中不是可以 见到大量的燃烧发光过程吗？不同物体的燃烧，它们发出的光是否符合 玻尔理论呢？比如，碳在氧气中燃烧时，是否只有发出碳与氧两种元素 的原子光谱谱线？或者，在氢气在氧气中燃烧是否又是否只有氢与氧两 种元素光谱谱线呢？如果是，我们所看的火焰的颜色将会如何？在化学的学习中，笔者曾清楚地记得，火焰被人们分为内焰、中焰 与外焰三个部分，这三个部分的颜色、温度都各不相同，内焰的温度最 低而其颜色最接近白色，中焰温度较高，其颜色也较深，橙黄色，外焰 温度最高，其颜色为红色。在实

6、际观察中，我们也可以看到这样的火焰， 当然，我们还可以看到接近白色的煤气、氢气等在氧气中燃烧的火焰， 也可以看到发出白色耀眼的镁一一氧火焰这么许多的事例，为什么都会出现白色的火焰？难道这不足以令人 深思？玻尔发光理论或者量子力学的发光理论能够这些现象吗？更令人深思的是，如果所有的光都是因为原子核外电子的跃迁而产生，那么，我们见到的连续光谱又如何产生？化学反应火焰到底是怎样在化学反应过程中形成？为什么它会发热发光？ 为什么在火焰的不同部分其焰色与温度会有区别？为什么火焰总是向 上升？事实上，我们要弄清楚火焰在化学反应中形成的过程，就必须首先 弄清楚什么是化学反应？不同的物质之间为什么会发生化学反

7、应？其 原动力是什么？笔者认为，自然界中的一切运动其实都属于物理运动即 机械运动，是物体之间的相对位置发生变化的过程，而物理学、化 学、生物学、地理学、天文学、政治学、历史学等所有这些学科的研究 对象都是物体的运动，只是有所不同的是，运动的主体即物体不同罢了。 物理学研究的是发生相对位置变化的过程及这个过程的一切实体，包括 宇观、宏观、微观甚至是渺观的实体，而化学研究的则是不同元素的原 子通过它们虚体环境中的电子而构成的不同的结合体，化学反应其实就 是电子在不同元素原子之间的机械运动的过程，而化学的任务并不把电 子的运动过程作为具体的研究对象，因为对于所有的化学反应过程来说 电子的运动都是一样

8、的，更不把电子在其运动过程中发生了哪些物理变 化作为研究对象，化学的任务只是要找出哪些元素原子之间、哪些物质 之间可能发生这样的运动。于是，物理与化学交界处的便出现了研究的 真空状态。对于不同元素原子之间、不同物质之间为什么会发生化学反应，化 学中给出这样一个答案一一是因为这样原子、物质的活泼程度不同。在 学习化学元素周期规律时，我们已经知道，从第一主族到第七主族，元 素的活泼性是相当有规律的，第一主族到第七族元素的金属性逐渐减 弱，而非金属性逐渐增强，也就是说第一主族的金属性最强，而第七族 的金属性最弱，反之，第一主族的非金属性最弱，第七主族的非金属性 最强，至于什么是金属性与非金属性，化学

9、则认为在化学反应中失去电 子的性质就是金属性，而得到电子的性质则是非金属性，所谓金属性或 非金属性强，就是指在化学反应过程中容易失去或获得电子，越是容易 失去或者获得电子，元素原子的化学性质就越活泼。对于元素化学性质活泼性的形成原因，是各种元素原子的原子核大 小的不同。化学认为，同一周期中的不同元素，从第一主族到第七主族 原子核半径逐渐减小，核外最外层电子绕核运动的轨道半径也逐渐减 小，原子核对这最外层电子的束缚力则逐渐增大，这造成了第一主族原 子的原子核对其最外层电子的束缚力最小，电子最容易失去，而第七主 族原子的原子核对其最外层电子的束缚力最大，电子最难失去反而最容 易得到电子。于是，这便

10、圆满地解释了元素的活泼性。事实上，各门自然学科对许多现象解释，都采用了物理学的力的观 点，解释元素的活泼性当然也不例外。然而，在暗物质物理理论体系中， 笔者已经通过了众多的文章论证了自然界其实不存在一种叫做力的事物，使物体发生运动状态改变的原因并不是力，而是物体所处环境的不 平衡程度，物体作加速运动是在不平衡环境中的属性。对于原子核外的电子而言，它们运动的不平衡环境是原子核电荷荷 心外的电性子（阳性子）的密度梯度场环境，虽然阳性子密度梯度的方 向由荷心指向外，可因为电子荷心外的电性子是阴性子，所以，电子的 属性加速度方向当然应该指向原子核荷心。于是，在只有单个原子情况 下，原子核外的所有电子的

11、运动环境只有原子核形成了电性子密度梯度 场，在这种环境中电子最终绕着原子核作高速的运动，由于每个电子在 运动都将激发其周围环境的中性子或者电性子而改变其运动环境，并激 发光波或者电磁波，可因为这些电子在绕核运动时它们将遵循物理学总 定律，它们在运动时每两个电子总是在相互对应的轨道上反相运动，这 使因它们运动而产生的环境改变量也相应反相，并叠加抵消，使空间环 境因它们运动而造成的环境变化减至最小，甚至没有发生变化。于是， 在原子核外的电性子密度梯度场空间便出现了所谓的电子对，可是，这 里所谓的电子对并不是运动于同一运动轨道上的电子对，而是在同一轨 道球面空间总是存在着偶数条轨道，而同一轨道球面空

12、间的轨道数量是 有限的特殊数值一一半径最小的最内层即第1层电子轨道数量为12, 而第2层的电子轨道数量则为2必，第3层的电子轨道数量为尸罚， 第4层电子轨道数量为/时，次外层的电子轨道数量为尸妃，最外层 的电子轨道数量为2 2，这些电子轨道总是对称地分布在电子轨道球 面上，每条轨道上只能容纳一个电子运动，相互遥望的一对轨道的电子 就是暗物质物理理论体系中所谓的电子对。如果原子核外电子数量可以正好占满其核外的所有轨道，那么，因 为每一对电子对外界产生的不平衡都可以抵消，对于整个原子的外部， 并不会因为原子核外电子的运动而产生任何影响，故这样的原子是最为 平衡最为稳定的原子。可是，并不所有原子的核

13、外电子都能占满其核外 的所有轨道，也就是说，还有大量原子核外电子并不能形成电子对，即 它们运动产生的不平衡因素将对外界环境发生的影响，于是，每两个原 子之间就可能产生相互的影响。两个原子间的影响当然也是来自其核外不能形成电子对的电子，这 些电子一方面不断产生不平衡的因素，另一方面外界的不平衡因素对其 运动也将产生影响，而核外电子与原子核已经构成一个运动实体，核外 电子的运动当然成为整个原子运动的一部分。于是原子之间在这种情况 发生相应的属性运动，而这种运动当然也遵循物理学总定律，也是最终 使它们的运动对环境不平衡程度的影响减小到最小。于是，原子核外的 电子便因此发生运动。这就是我们所说的化学反

14、应。所以，广义的化学 反应，应该包括不同原子之间反应，以及同种原子之间的反应，就是原 子之间为了建立起这样的一种原子团运动实体体系，它使得体系中所有 的电子在运动时对环境影响降低到最小程度，使不同或者同种原子之间 发生的重新组合。可见，化学反应之所以会发生，还是因为构成物体的原子或者已经 成为分子的原子团运动实体的外围空间依旧存在着因为其原子核或者 因为核外电子运动而产生的微小的不平衡因素，这些不平衡因素不仅成 为其他周围的原子、电子运动的环境，使化学反应成为可能，而且它也 是使这些原子、分子之所以能够结合成一个整体，成为液体、固体的根 本原因。象第八主族的惰性元素，就是因为它们的原子周围根本

15、没有这 些不平衡因素的存在，这不仅妨碍了它们参与化学反应，而且妨碍了它 们原子与原子之间结合为了整体成为液体或者固体，故惰性元素通常表 现为气体。正是原子周围存在着因为原子核或者因为核外电子运动而产生的 微小的不平衡因素，这使原子核外电子在不同原子之间的运动成为可 能。从环境属性七定律中可以发现，不平衡的种类两种，其中一种不平 衡可以使物体运动速度大小与方向发生变化，即可以改变物体的动能大 小，如密度梯度不平衡、温度梯度不平衡等；另一种不平衡则不可以改 变物体的运动速度大小，而只能改变其运动速度的方向，如速度旋度不 平衡。这就是笔者把场分为显能场、潜能场与无能场的依据。其实，原 子周围存在不平

16、衡也有这两种，显能场就是原子核形成的电性子密度梯 度，而无能场则因电子运动激发的电性子或者中性子速度旋度。由于化学反应中不但要改变原子核外电子的运动方向，更要改变其 速度的大小，可见电性子密度梯度在化学反应具有极其重要的意义。笔者也相信，元素周期率中，同一周期的不同元素，其原子核半径 的大小并不相同，造成这种情况的原因笔者认为是原子核表面的电性子 密度大小，笔者在许多文章论述了粒子的密度造就了其属性压强 s p，笔者认为，同一周围的第一主族的原子核表面，电性子的密度 很小，故因此形成的属性压强也很小，原子核内部物体原态质也因其密 度形成另一个属性压强，当两个属性压强相等时，原子核内的 物体原态

17、质与其外部的阳性子便处于一个平衡状态。笔者相信，原子核 内部的物体原态质也具有一个波动的传播速度W，而且对任何密度的物 体原态质，这个速度都是相同的，所以，在一个比较小的外界环境属性 压强中，便造就了原子核内部的低密度的物体原态质，这就是第一主族 原子核半径最大的原因。随着原子序数的增大，原子核表面的阳性子密 度也增大，因此产生的属性压强也增大，同时也使原子半径在减小。根据笔者论电荷的结构一文的结论，可知一个电荷虚体部分的A最大半径为 4诳，其中Q是电荷的电量，吒是环境电性子的密度， 环境电性子对于不同电荷是不相同的，对于原子核而言，环境电性子应 该是阳性子，而于电子，则是阴性子。因为我们的研

18、究环境是在地球 的表面，地球中心不断分解中性子为阴阳电性子，可它只把大部分的阴 性子释放出来，而把大量的阳性子在地核中合成为原子核，这使地球附 近空间的阳性子密度将小于阴性子密度。因此，即便是电量相同的正负 电荷，它们的最大半径也是不相同的，正电荷的空间一定远大于负电荷 的空间。可尽管这样，在同一元素周期中，我们可以发现，第一主族原子核 的最大半径是最小的，而其原子核则是最大的，这便造成了电性子密度 梯度场空间即核外电子的运动空间最小，所有核外电子都集中于这个阳 性子密度较小的区域中运动，这使该空间区域的阴阳电性子密度不可能 达到平衡，阴性子密度将大于阳性子密度，故原子表面表现为阴性子密 度与

19、阴性子密度梯度，呈弱负电性。第七主族则正好相反，其原子表面 则表现为阳性子密度与阳性子密度梯度，呈弱正电性。事实上，第一主 族到第七主族，其变化是逐渐进行的，第四主族处于中间状态。不同原 子表现的这种弱电性，就是化学反应的根本原因。当两个呈不同电性的原子放在同一空间区域中，很明显地，就会在 它们之间形成了电性子密度梯度，这就是前面我们所说的原子周围存在 的弱不平衡，这种弱不平衡就使原子核外电子具有了一个由弱负电性向 着弱正电性的运动趋势，只要条件满足，这个运动趋势便转化为真正的 运动，其目的就是使电子的运动空间的阴阳电性子密度达到最大限度的 平衡，同时也使因电子运动产生的不平衡达到最大限度的抵

20、消。然而， 上述目的可能是达到了，可是，电子的转移运动，却又改变了原子外界 空间的电性子密度梯度的分布，使原来没有电性子密度梯度的中性原子 有了电性子密度梯度而显电性了。火焰的形成火焰的形成过程，实际上就是化学反应或者说是原子核外电子转移 运动的过程。前面我们的论述，都是讨论电子是否有转移的可能，我们 知道了中性原子其实并不呈真正的中性，而是呈现出弱电性，不同的原 子放在一起，就会在它们之间形成电性子密度梯度，就会使电子具有属 性运动的趋势。那么，电子在常温下为什么并不发生转移？或者说其转 移数量非常少?这还是要分析电子的运动环境，常温下，电子在原子核外的运动轨 道半径很小，在它的运动轨道上，

21、电性子密度梯度主要取决于原子核形 成了密度梯度，或者说原子核电性子密度梯度远大于两个原子之间的电 性子密度梯度，所以，电子主要作绕核的圆周运动。可是，电子在运动 过程中经常会受到外界不平衡因素的干扰，使电子发生运动半径的突 变，跑到远离原子核的空间区域，而这些区域的电性子密度梯度则形成 于两个不同的原子，于是，电子便向着这个密度梯度方向决定的属性加 速度的方向发生运动。因此发生缓慢的化学反应。如果外界不平衡干扰因素加强，使电子发生轨道突变的机会增加， 则可以使化学反应的速度增大。其实，这种干扰在化学反应过程通常叫 做催化，如光照、加热等，实际上，我们日常生活中经常使用的电子点 火就是利用了电子

22、束干扰的原理。至此，我们似乎还没有真正论述过火焰，然而，笔者要说的是，当 我们已经清楚了化学反应的原理之后，火焰的形成原理便是理所当然的 事情。笔者一再强调，光是因为电子的运动激发中性子而产生的中性子波 动。当化学反应中已经有了电子在原子之间的运动之后，火焰不就形成 了吗？电子在原子之间的转移运动不同样要激发中性子吗？不同要产 生中性子波动一一光波吗？是的！火焰的光正是主要由电子在原子间的 转移运动而激发的，而不是由原子核外电子的绕核运动而激发的，所以， 火焰的光谱就可能形成连续谱而不是线性谱（原子谱）。在火焰的内焰中，这里是化学反应中提供原始反应的物质原子的地 方，比如对碳氧反应来说，这里具

23、有最多的碳原子，也具有最多的 氧原子，所以，在内焰中具有最多的原子参与反应，也具有最多的电子 发生转移，这势必造成激发空间各点电子数量的变化也最大，这里电子 运动激发的光波频率较大（一般都超过红外波动的频率），这就使内焰 的红外密度很小，温度很低。同时，电子激发光波的频率范围也最宽， 由于空间混色的原因，我们看到了内焰的颜色非常接近白色。虽然内焰中参与反应原子数量最多，可是并不是所有参与化学反应 的原子都在内焰已经发生反应，在内焰发生反应之后，还有许多原子还 没有来得及反应已经从原来的束缚状态变为了自由态，并由于地球表面 附近的空气密度梯度的变化，而发生向上的属性运动，比内焰的位置有 所升高之后继续参与反应，便形成了中焰。在中焰，由于参与反应的原 子数量减小，使反应时的电