粒子模型

現代物理學認為，粒子具有波粒二象性。然而，波和粒子的解釋相互不協調，粒子將其能量集中於一個小的區域內，波的能量是均勻分佈在整個波前上。對於波粒二象性的困境，自量子論誕生以來，許多物理學家和哲學家都頑強地拼搏過這個問題，遺憾的是都無果而終。雖然波粒二象性已被科學界廣泛接受，但這僅是一種限於當時科技和認識水平而被迫妥協的結果，許多人將它視為一個權宜之計，而不是一個終極的答案。

在物理學上，單粒子的雙縫干涉實驗被視為粒子具有波動性的最有力證據。在該實驗中(以光子為例)，入射光里只包含一個光子，在屏幕上光子將整體的為其上某個感光單元所接收。在底片上起初星星點點、繼而干涉條紋漸露端倪、最終呈現出完整的干涉圖樣。如果交替地每次擋住其中一條縫，就可以肯定每個光子通過的是另一條縫，結果是雙縫干涉條紋消失了，屏幕上顯示單縫衍射圖樣。

物理學界對上述實驗的通常推理是：干涉條紋是兩束光相干疊加的結果，按經典粒子的概念，一個光子只通過雙縫之一，另一個縫的存在與否，似乎對它的行蹤沒有影響。它打在屏幕上的概率怎麼會受另一半的制約？如果說下一個光子通過了另一條縫，前後兩光子在時間上相隔甚遠，干涉效應絕不可能在它們之間發生。所以，是一個光子自己和自己發生干涉，即一個光子同時通過了兩條縫。

1.單光子與光束在干涉機制上的矛盾

理性比較光束和單光子的雙縫實驗不難發現，一方面，前者要求光束必須為相干光，否則不能干涉；而後者單光子之間不存在相干，也能出現干涉條紋。顯然這兩個實驗本身就存在無法調和的矛盾。

另一方面，前者的解釋是：通過雙縫后的不同光子之間發生干涉；而後者的解釋：是同一個光子同時通過雙縫后與自身干涉。顯然，對於同一套實驗裝置產生的干涉條紋，出現了兩種完全不同的干涉機制。難道自然界為我們準備了多套干涉方式，以供我們根據需要來任意選擇嗎？

面對上述兩種實驗事實，我們已經陷入干涉機制的困境。

2. 單光子雙縫干涉效應的系統相對論解釋

在單光子雙縫實驗中，實驗裝置的兩縫間隔為微米級，如圖2-1所示。由於間隔的截面尺度極小，在間隔的臨界場中作無規則運動的自由電子，具有圍繞“間隔”做環繞運動的分量。這些自由電子相互誘導運動，最終它們都圍繞“間隔”作同向的環繞運動。這種規則的運動導致自由電子之間相互耦合，形成電子對或電子鏈。於是，在間隔周圍形成了一個電流磁場。

在這個電流磁場的誘導作用下，縫的另一側上產生一個其表面原子核形成的協變磁場，這兩個場統稱縫隙場。單光子在通過任意一條縫時，在縫隙場的作用下發生偏向運動，即物理學上的衍射。

在間隔上做環繞運動的自由電子具有一個穩定轉動周期T，設 ，其中n為整數，τ為某個時間單位。一般，從光源發出的光子也具有固定的周期T，可表示為： ，其中m為整數。那麼，光源和雙縫構成的系統也存在一個周期T，即：。這裡未考慮入射單光子的隨機路徑。

如上所述，相隔時間T的兩個光子受到縫隙場的作用相同，設光子與縫隙場的作用共分x種情況，則有： 。

可見，光子與縫隙場的作用共有種類型。換言之，通過縫隙后的光子具有個運動方向，形成條亮紋。由此推測，實驗顯示的亮紋是將兩縫亮紋重疊而成，當然這需要精細調製。顯然，這與所謂的自身干涉毫無關聯。

當任意一個縫被擋住，間隔消失了，間隔上的電流磁場也就消失，縫隙場也就不存在了，所謂干涉條紋也就消失了。於是，在屏幕上呈現出因受縫隙邊沿臨界場影響而形成的衍射圖案。

現代物理學認為，對於粒子的波動性和粒子性，它們的使用範圍是不同的，即在討論與物質(物體)相互作用時粒子性有效，在討論在空間中的運動時波動性有效。

我們知道，不論任何物體，構成物體的分子或原子之間存在著間隙、原子核與電子之間也存在間隙。因此，一個物體就是由懸浮於空間中的各級粒子通過不同作用關係逐級構成的一個鬆散結構的聚合體。

一方面，根據接觸的相對性原理，任何物體或粒子之間的相互作用都是在一定間隙下通過場傳遞的。也就是說，無論一個粒子與某個物體作用與否，粒子始終處於空間中。而無論物體內的空間還是物體外的空間，它們都是整個連續空間的一部分，粒子性和波動性的精確分界線應在哪個位置呢？顯然，從連續空間的角度看，這個分界線並不存在。

另一方面，一個粒子與物體的相互作用，本質是與物體中的某個粒子的相互作用(如核外電子、原子核等)，只不過這個粒子處於束縛態、具有我們可以描述的位置和狀態罷了。如果一個粒子與束縛態粒子相互作用就表現出粒子性，而與自由態粒子相互作用時就表現出波動性。這顯然是表明，一個粒子是根據與它作用粒子的束縛態或自由態，來決定它要表現出粒子性或波動性。難道一個粒子能夠識別與它作用粒子的狀態嗎？顯然，粒子是不可能有意識的。

綜上所述，系統相對論認為，包括光子、電子等各種粒子，它們都不具有波動本性，但在特定條件下可以顯示出波動的某些特徵。

基本粒子原意是物質存在的基本單元，它是隨著人們對物質結構認識進展而不斷發展的，現已認識到不能把它看成是最後的、最簡單的組成單元。

1921年，德國史特恩和格拉赫在實驗中將鹼金屬原子束經過一不均勻磁場射到屏幕上時，發現射線束分裂成兩束，並向不同方向偏轉。基於當時的認知人們認為，電子除了有軌道運動外，還有自旋運動，上述現象是電子自旋磁矩順著或逆著磁場方向取向的結果。1925年，荷蘭物理學家烏倫貝克和哥希密特提出，電子有不依賴於軌道運動的固有磁矩(自旋磁矩)的假設。

粒子物理學認為，電子自旋量子數，它是表徵電子自旋角動量的量子數。自旋為1/2的基本粒子還包括正電子、中微子和夸克。光子是自旋為1的粒子，理論假設的希格斯玻色子的自旋為0。

粒子物理研究表明，自旋是和空間旋轉對稱性相聯繫的。系統相對論認為，所謂自旋就是指粒子的自轉，所謂自旋量子數是對處於轉動狀態下的粒子場的結構對稱性的一種描述。

在微觀環境中，粒子總是在不停地轉動。如圖2-2所示，自旋為1的粒子(如光子)，是指粒子的場在旋轉一圈后看起來一樣，即該粒子場在轉動面上是360度對稱結構；自旋為的粒子(如電子和質子)，是指粒子的場在旋轉圈后看起來一樣，即該粒子場在轉動面上是180度對稱結構；自旋為0的粒子(如普通天體)，是指該粒子的場從任意角度看都一樣，即該粒子是各向同性的全對稱結構。通常粒子自旋量子數介於0和1之間。

值得注意的是，在量子力學中，自旋為2的粒子在旋轉180度后看起來一樣、自旋為的粒子必須旋轉2圈才會一樣。這一點正好與系統相對論的描述相反，也正因如此，才使得自旋概念變得更加神秘。

對於史特恩和格拉赫的鹼金屬實驗，根據系統相對論原子模型可知，核外電子是在原子核的場域中做環繞運動的，核外電子不可能與外界磁場發生直接作用(否則，電子將不再圍繞原子核運行)。換言之，與外界磁場發生相互作用的是原子核的極性場。因此，將原子束分裂的原因歸結於核外電子是不正確的。

系統相對論的解釋是：根據場域原理，在強磁場中，鹼金屬原子的場域都較小，原子場域都相對獨立而幾乎不存在相互作用。當進入弱磁場時，鹼金屬原子的場域迅速增大，導致相鄰原子之間產生相互作用，自轉方向相反的原子之間因相互排斥而遠離，同向轉動的原子之間因相互協變而形成一束穩定的粒子流，這就是原子束分裂的原因。

現代物理學認為，基本粒子理論在本質上是一個發展中的理論，它在許多方面還不能令人滿意，其中有兩個具有哲學意義的理論問題尚待澄清，即：層次結構問題和相互作用統一問題。

在物質結構的原子層次上，可以把原子中的電子和原子核分割開來；在原子核層次上，也可以把組成原子核的質子和中子從原子核中分割出來。可是進入到“基本粒子”層次后，強子雖然是由帶“色”的層子和反層子組成的，但卻不能把層子或反層子從強子中分割出來。這種現象被稱為“色”禁閉，對於“色”禁閉現象的原因，至今還未能從理論上找到明確答案。

上世紀80年代已知的層子、反層子已達36種，輕子、反輕子已達12種，再加上作為力的傳遞者的規範場粒子以及希格斯粒子，總數已很多，這就使人們去設想這些粒子的結構。對此物理學家們已經給出許多理論模型，但各模型之間差別很大，近期內還很難由實驗驗證和判斷究竟哪個模型正確。

系統相對論認為，現代物理學所定義的基本粒子並不基本，真正的基本粒子是cn粒子。

光是人類認識最早的事物之一，然而對於光的本性，直到今天人們尚未形成一致的觀點、還在爭論。當前物理學面臨的各種困難與挑戰、矛盾與困惑，或多或少都與光本性的認識有關。

儘管粒子物理學把光子定義為一種基本粒子，然而還是有人提出了光的光子模型和光波模型，這兩類光的模型與許多實驗事實相矛盾、是錯誤的。可以看出，這些模型的構建受到了正負電概念的深刻影響。細緻觀察光子的一些特性，可以窺見光子存在結構的信息。

1.光子的頻率與自旋

根據我們在宏觀上獲得的經驗，將光子頻率視為光子的轉動頻率是一個容易理解的方案。然而，對於各向同性(即沒有極性)的粒子，我們是無法探測它的轉動頻率的，因此光子頻率的存在，意味著光子是非各向同性的，即光子是有極性的，而極性又意味著結構的存在。因此，光子的頻率特性給出了光子存在結構的暗示。

光子的自旋量子數為1。從2.2節可知，光子每轉動1圈我們才看到相同的面(場)，即在轉動方向上光子是360度對稱結構。如果將光子理解為一個條形磁鐵，這個磁鐵水平放置且在水平面內轉動，那麼這個磁鐵轉動360度時，我們看到的將是同一個磁極。因此，從光子的自旋量子數，我們可以獲得光子可能存在兩個極的信息。

2.對普朗克“能量子地的推導

1900年，普朗克從適用於高頻的維恩位移定律和適用於低頻的瑞利-瓊斯分佈公式，擬合出了普朗克黑體輻射公式，該公式完全符合於實驗。為了給出公式的解釋，普朗克認為，產生電磁波的源可看成是“諧振子”，進而假設諧振子的振動能量(E)只可能取離散值，即E=nhv=nε 。與此不同，1905年愛因斯坦假設電磁波(光)本身是量子化的，即光由粒子組成，這種粒子稱為光子，光子的能量E=hv，進而給出了光電效應的解釋。

實際上，諧振子的概念是普朗克為了理解他的黑體輻射公式而提出的，它未必是一種真實的存在，因為諧振子無法被直接觀測。事實上，我們是通過觀測諧振子發出的光子來間接理解它的。換言之，諧振子的能量E是通過它發出的光子的能量E反映出來的，可見E與E是完全等價的概念。於是有：

上式中，不再是諧振子中的能量子，而應理解為光子中的能量子，可見光子的能量E是能量子的整數倍。換言之，一個光子是由若干能量子ε構成的，光子所含能量子的數量越多，光子的能量就越高，在真空中它的頻率也越高。

上述推導出的光子中的能量子與系統相對論中的剛體態能量子e(即cn粒子)是完全等價的概念。由此我們獲得光子是由更基本的粒子構成的啟示。

如上所述，系統相對論構建的光子模型如下：

光子是由若干cn粒子通過疊加方式凝聚成的管狀粒子，cn粒子是構成光子的基本單元，也是最小的光子。光子中的cn粒子按極性同向排列，cn粒子之間的耦合渦環(場環)如同一條條繩索將它們緊緊捆在一起。光子是軸對稱結構，如圖2-3a所示。

光子的場結構如圖2-3b所示，光子的場是由內場、臨界場和外場組成的三層結構。光子中，各cn粒子獨立渦環的包絡線圍成的區域稱作光子的內場，又稱光子的本體。

在內場外側，部分cn粒子之間耦合渦環的包絡圓圍成的區域，稱作光子的臨界場，這個包絡球又稱作光子體；相應地，將這個臨界場的外邊界稱作光子的表面，臨界場的半徑r稱作光子的半徑。

在光子體的外部，彌散著所有cn粒子共同的耦合渦環，稱作光子的外場，簡稱光子場。與cn粒子一樣，光子也如同一個微小的磁體，它的場是具有一個陽極N和一個陰極S的極性場，又稱雙極場。

從單個cn粒子到若干cn粒子構成的光子，它們都具有管狀體的結構，系統相對論稱之為管狀體粒子族。依據這個光子模型，我們可以更好地理解光子的橫波、偏振等特性。

現代物理學認為，電子是一種帶負電的穩定的基本粒子。然而，對於電子為什麼既有質量又帶電荷，尚給不出合理的解釋。

在電磁理論中，通常將電子視為一個電荷均勻分佈的帶電小球，如圖2-4所示。在這個經典的電子小球模型中沒有給質量留下位置，而且對的自旋也無法給出合理解釋，顯然這個模型過於粗糙。細緻觀察電子的一些特性，可以窺見電子存在結構的信息。

電子的自旋量子數為，從2.2節可知，電子每轉動圈我們就看到相同的面，即在轉動方向上電子是180度對稱結構。如果將電子的磁矩和宏觀磁體的性質聯繫起來，電子可以理解為四個三角條形磁鐵的組合體，如圖2-5所示。那麼，這個磁鐵組合體轉動180度時我們看到的將是相同磁極方向的另一個條形磁鐵。因此，從電子的自旋量子數，我們獲得電子可能存在四個極面的信息。

電子既帶電荷又有質量，而電荷和質量本質上是表徵庫侖力和萬有引力的一種計量方式，這兩種不同性質的力反映出電子具有兩種不同性質的場。可見，電子同時具有表徵質量性質和電荷性質兩種類型的場。

如上所述，系統相對論構建的電子模型如下：

電子是由若干光子凝聚成的近長方體的穩態粒子，如圖2-6a所示。電子中的光子是對稱的凌形排列，相鄰光子的極向相反，它們之間的耦合渦環(中性場線)，如同一條條繩索將它們緊緊地捆綁在一起，光子的層數是2的倍數，圖2-6b為上下對稱的8層光子構成的電子正方形端面。

和光子一樣，電子的場從內到外也分為內場、臨界場和外場三層結構，如圖2-6c所示。電子中光子的獨立場線(是指未與相鄰光子耦合的場線，參見圖2-3b)的包絡面圍成的區域稱作電子的內場，又稱電子的本體。

在電子內場外側，場強衰減步長(見3.1節)從光子間距逐步增大、最終達到一個常數r，半徑r圍成的區域稱作電子的臨界場，又稱作電子體；相應地，將這個臨界場的外邊界稱作電子的表面，臨界場的半徑r稱作電子的半徑。

在電子體的外部，場強衰減步長為常數r，這個區域稱作電子的外場，簡稱電子場。如圖2-6c所示，電子場由中性場和極性場兩部分構成，這為電子的電荷和質量的來源提供了解釋，即電子的中性場決定了它的質量性質、極性場決定了它的帶電性質。

如圖2-6c所示，電子場在兩個端面上屬中性場；在四個側面上的場是極性場，且相對兩側面極性方向相同，相鄰兩側面極性方向相反。從電子場的結構，我們可以推導出電子的一些性質。

電子的四個側面如同四個條形磁鐵，從每個端面看都是相對兩側面極性相同，相鄰兩側面極性相反，稱之為四極場。質子場的極性場也屬四極場(見後文)，因此電子和質子一樣，也具有電四極矩性質。

中微子與長方體粒子族

1930年，德國科學家泡利預言了中微子的存在，1956年美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子。根據現代物理學研究的結果，中微子自旋為，質量非常輕，小於電子質量的百萬分之一。

據此系統相對論認為，中微子與電子結構類似，是由較小光子聚合而成近長方體的穩態粒子，但所含光子的層數和尺寸遠小於電子。一方面，由於中微子尺度小，而呈現出具有極強的穿透力；另一方面，由於中微子場非常弱，這使它難以探測。

中微子具有與電子類似的特性，它們屬同一類型的粒子，中微子和電子統稱為長方體粒子族。

現代物理學認為，質子和中子是構成原子核的基本單元，故統稱為核子。系統相對論認為，質子和中子理論都是發展中的理論。

質子的正十四面體模型

在分析總結了原子、原子核的大量實驗數據的基礎上，系統相對論認為，質子是由不同長度的光子凝聚成的正14面的四面-六面體的穩態粒子。質子中光子的排列方式與電子的相同，但光子的層數是4的倍數。

如圖2-7所示，質子的表面由8個相等的正六邊形和6個相等的正方形組成。其中前後兩個正方形構成了質子的兩個端面，剩餘四個正方形構成質子的四個側面；在質子的前後兩端各有四個正六邊形的斜面。與電子相比，質子更接近於一個球體。

1. 質子的場結構

從質子的一端看，質子是一個八邊形，見圖2-7b。四個側面上的場線分佈，隨側面上光子極向的相間分佈，而呈現出正、反向場線相間分佈的特徵，這種場不同於場線同向的極性場，也不同於質子端面上的中性場，稱之為混合極性場。

在質子前後斜面的共同邊界上是一個尺度相對較小的極性場，這是因為這個邊界上的光子非常小導致的。一般這個極性場位於質子的臨界場中，不參與跟外界的相互作用。與之相比，側面上的混合極性場尺度要大得多，它參與跟外界的相互作用，並呈現為質子的正電荷性質和四極矩性質。

從圖中可以看出，中性場佔據了質子表面的絕大部分，因此質子的場是以中性場為主的、由中性場和極性場構成的複合場。

2. 質子的質量與電量

現代原子核物理公認，質子帶正電荷庫侖，其靜止質量千克。系統相對論認為，質子的複合場性質決定了它既有質量又有“電量”，即質子的中性場決定了它的質量性質、極性場決定了它的帶電性質。

如同太陽場域可以容納下八大行星而太陽的質量遠大於八大行星質量之和一樣，作為氫原子，雖然一個質子只能容納一個電子在核外環繞運行，這並不代表質子的“電量”就等於電子的“電量”。可見，“質子帶一個單位的正電荷e”的說法是值得商榷的。

實際上，作為氫原子，質子與核外電子之間的相互作用並非主要是二者極性場之間的所謂電磁相互作用，二者中性場之間的引力作用也對電子的運行起著重要的作用，是不可忽略的。因此，認為“氫原子中質子與電子的引力作用可以忽略不計”的觀點是不正確的。

中子的複合粒子模型

現代物理學認為，中子是中性不帶電的、自旋為1/2的粒子。在原子核物理中，通常將中子和質子視為同一種粒子的兩種不同的電荷狀態，以不同的同位旋量子數相區別。

1. 中子模型

高能電子、子或中微子轟擊中子的散射實驗顯示，中子內部的電荷和磁矩有一定的分佈，說明中子不是點粒子，具有一定的內部結構。系統相對論構建的中子模型如圖2-8a所示，電子一端的中性場與質子一端的中性場相互耦合而形成的複合粒子，稱為中子。

如圖2-8a所示(質子斜面上的中性場未畫出，參見圖2-7)，一方面，電子與質子端面上的中性場線相互耦合，即中性場之間的引力作用；另一方面，電子與質子之間的極性場線也相互耦合，即極性場之間的所謂電磁相互作用。

從圖2-8b可以看出，電子半個側面的極性場線與質子半個側面上的同極向光子的極性場線之間相互耦合，這些耦合場線如2-8a所示，向中子體內進一步收縮、聚集。於是，質子側面對稱兩半的、未與電子耦合的正反向的極性場線，向中線偏移、相遇而導致耦合，如圖2-8b中紅線所示，紅色實線表示在前端耦合的場線，紅色虛線表示在後端耦合的場線。

如上所述，中子較質子的極性渦通量斂聚於更小的區域內，導致對外呈現出極性渦通量減小；另一方面，電子與質子相互耦合而構成的中子較質子的半徑更大，相應地其表面場強較質子減弱。這就是我們所觀測到的宏觀環境中“中子不帶電”的原因。

根據原子核的梭狀模型，原子核表面附著的電子與質子共同構成了中子，這就是人們將中子視為核子的原因，當然作為核子的中子只能位於核表面。

2. 中子的質量

在原子核物理中，中子靜止質量千克。比較m、m、m的大小不難發現：。換言之，當一個質子和一個電子結合成一個中子時，質量出現增溢。N.玻爾據此認為，衰變過程中能量守恆定律失效。

1931年春，國際核物理會議在羅馬召開，W.泡利在會上提出，衰變過程中能量守恆定律仍然是正確的，能量虧損的原因是因為中子作為一種大質量的中性粒子在衰變過程中變成了質子、電子和一種質量小的中性粒子，正是這種小質量粒子將能量帶走了。W.泡利預言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。對此系統相對論有不同的觀點。

實際上，中子的質量m與它的中性渦通量成正比。根據原子核長毛原理和圖2-8中子模型可知，中子的半徑比質子的半徑要大一些，因此中子表面附著的光子的能量比質子的要高一些，而這些光子的能量主要以中性場的形式體現出來，即體現為質量。因此，當一個質子和一個電子結合成一個中子時，質量就會出現增溢。反之，就會出現質量虧損，這與中微子無關。

綜上所述，根據系統相對論的質子和中子模型，同位旋的概念進而夸克模型都是值得商榷的。

兩個質子的凝聚

通常物理學上將質子和中子稱作核子，即原子核由質子和中子構成。從中子模型可知，中子是由質子和電子構成的複合粒子，因此將原子核理解為由質子和電子構成更為恰當。

原子核中的質子之間和質子與電子之間是通過場的耦合而凝聚在一起的。質子與電子之間的耦合原理見中子模型。根據質子模型可知，質子端面的中性場是比其斜面和側面更強的場，因此兩個質子是端面相對凝聚在一起的。

如圖7-1所示，凝聚在一起的兩個質子，它們內部的光子一一對應且極性相反，端面中性場之間、斜面中性場之間以及側面極性場之間的場線相互耦合，所有耦合場的耦合力共同構成了物理學上所謂的強核力。

原子核的梭狀模型

以氮原子核為例，如圖7-2所示，氮原子核存在上下、左右和前後三種結構對稱性。原子核中心最長的一串質子和電子稱作原子核的中軸，用表示，對應的面又稱原子核的主面；圖7-2a中上下兩側的兩串質子和電子對應的軸記為和，相應地，前後兩側的兩串質子和電子對應的軸記為和(見圖7-2b)。氮14和氮15的原子核中各軸上的質子和電子的數量見圖7-2c和d。不同軸上相鄰的兩個質子，在軸上的位置相差半個質子佔位。

從氮原子核模型可以看出，原子核是由質子和電子凝聚成的梭狀體。核內質子同向規則排列，相鄰軸上質子相互咬合而不存在間隙，原子核的剖面圖呈肺泡結構，可見原子核的物質密度是極高的；所有相鄰的質子間，它們相對的光子均極性相反而緊密耦合在一起(參見圖7-1)，這就形成了核力的強力性質；電子如同毛髮一樣附著在核表面的質子上，電子和它所附著的質子一起，我們稱作了中子，這就是實驗觀測到中子都分佈在核表面的原因。

從上述核結構模型可以看出，核力是由核子之間多個中性場之間和極性場之間的耦合力共同構成的，其中中性場之間的耦合力起主導作用。可見，核力和引力是性質相同的力，關於核力的短程性，這是由質子費米級的場強衰減步長(即質子半徑)所決定的。

部分原子核的結構模型

根據原子核的梭狀模型原理，參考元素丰度和元素周期理論，建立元素周期表的前兩個周期元素的核結構模型和原子核中核子排列分別見圖7-3和下表。

從圖和表可以看出，丰度為的元素，其核結構具有三個方向上的對稱性；丰度非常低的元素，其核結構的對稱性也較差；同一種元素的不同同位素之間，核結構對稱性較好的，其丰度也相對較高。據此推測，所謂幻數核就是核結構對稱性較好的原子核。

由此可以得到如下結論：原子核中軸或主面上的質子數最多，距離中軸或主面越遠，軸或面上的質子數越少；中軸上質子數不少於4時，其兩側軸上才會有質子存在，依次類推，且二者的質子數相差一般不小於3。

需要指出的是，上述核結構模型還處於初級階段。尤其中軸以外各軸上的質子和電子的排列，存在多種可能性。只有通過實驗觀測，才能從多個可能性中確定唯一的排列，或確認同位素存在進一步的細分。

值得一提的是“原子質量單位”的概念。1960年物理學國際會議決定，定義一個C中性原子處於基態時靜止質量的為原子質量單位。從上述原子核模型可知，原子核具有由中性場和極性場構成的複雜的場結構，“原子質量單位”僅是一種極為粗造的描述原子核的一種方法而已。

近一個世紀以來，我們之所以沒有建立起一個相對完善的原子模型，是因為缺乏一個有效的原子核模型。

首先讓我們先回顧一下氫原子的場結構與核外電子的運動軌道，參見圖2-7。現在我們以硼11為例展開討論(忽略中性場的作用)。

圖7-3c的中心縱向剖視圖如圖7-4所示。從圖中可以看出，硼11原子核的極性場分列四個象限中，且相鄰象限的極性場相互垂直。每個象限的極性場由核表面兩個質子側面上的(混合)極性場組成，且它們具有相同方向。這四個方向上的極性場，在原子核物理中稱作原子核的四極矩。

當核外電子進入原子核的極性場中時，電子受到極性耦合引力的作用而改變運動方向。不考慮原子核中性場的引力作用，繞核運動的電子軌道呈正八邊形，每個極性場對電子產生平均45度的偏轉作用。

所有原子核都具有四極矩的性質，所不同的是每個極的極性場個數，最少的為1，如氫核、氦核；原子核越大每個極的極性場個數越多。但每個極都對核外電子產生90度的偏轉作用，每個極的極性場個數越多，電子軌道越接近於圓形。

以碳12原子為例，如圖7-5所示。核外電子軌道沿原子核中軸線呈左右對稱分佈，這就是電子殼層模型中電子的數量均為2的倍數的原因；從外到內依次為1s、2s、2p軌道，且軌道半徑依次增大。

當分別從兩端觀察1s軌道兩個電子的運動方向時，我們會看到兩個電子的運動方向正好相反，即一個順時針運動，另一個逆時針運動。如果從同一端觀察，在軌道上所有核外電子沿相同的方向運動。由於電子的自轉方向與軌道運動方向是一致的，因此實際觀測1s軌道上的兩個電子的自轉方向相反。這就是W.泡利不相容原理的本質。

分子物理學認為，分子由原子組成，原子間通過一定的相互作用力，按一定的方式結合成分子。系統相對論認為，分子是兩個或多個原子的原子核相互耦合而連接在一起的、有一定幾何結構的聚合體。

以水分子為例，如圖2-9所示，兩個氫原子核附著在氧原子核一端的兩個斜面上，形成120度夾角的幾何結構。圖中所示為氧16原子核。

氫原子核與氧原子核之間的相互作用包括兩部分，一是，兩核相接觸側面上中性場之間的耦合力，這個力類似強相互作用，稱之為亞核力，用F表示；另一個是兩核極性場之間的耦合力(圖中未畫出，參見圖2-8a)，用F表示。氫原子核與氧原子核之間的相互作用力F可表示為：

F類似化學上的共價鍵，但共價電子對這個力並沒有貢獻，相反共價電子是在這個耦合場中運動的。F和F渦通量表達式參見公式(3-11)。可見，水分子中原子之間的作用力是由核間的中性耦合力和極性耦合力兩部分構成的，將這種複合作用簡單歸於某種化學鍵是不確切的。

另外，由於水分子中距離氧原子中軸越近場強越強，因此在氫原子與氧原子之間的作用面上，靠近中軸一側的耦合力強於遠離中軸一側的耦合力，而形成蹺蹺板效應，導致兩氫核之間的夾角減小，這就是實測鍵角為104.5°的原因。

現代化學認為，石墨的結晶格架為六邊形層狀結構，具有完整的層狀解理，解理面之間以分子鍵為主。在石墨晶體中，同層的碳原子以雜化形成共價鍵，每一個碳原子以三個共價鍵與另外三個原子相連。六個碳原子在同一個平面上形成了六邊形的環，伸展成片層結構，對於同一層來說，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道，它們相互重疊，電子比較自由，相當於金屬中的自由電子，所以石墨能導熱和導電。

常見的石墨晶體結構圖中都將碳原子作為點粒子看待，使得石墨的一些特性不容易直觀理解。根據系統相對論的碳原子模型(見圖7-5)，繪製石墨晶體結構如圖2-10所示。圖中的碳原子核為碳12，它呈對稱平面結構。

從圖2-10可以看出，6個碳原子通過亞核力形成六邊形結構，這種亞核力包括核間質子端面之間的作用和核間質子斜面之間的作用兩種類型。系統相對論推測，核間質子端面之間的作用建立之前，它們端部的電子脫落而成為遊離態電子；核間質子斜面之間的作用建立后，其中一個2p軌道被佔用(參見圖7-5)，該軌道上的束縛電子也成為遊離態電子。正是大量遊離電子的存在，使得石墨具有良好的導電性和導熱性。

相鄰解理面之間不存在上述核間直接相互作用，它們之間的作用主要是中性場之間的引力作用。這個引力作用較上述亞核力要弱得多，因此石墨晶體在層與層之間比較容易分離。

分子力又稱范德華力，是指分子間的相互作用。分子物理學認為，當兩分子相距較遠時，一個分子被另一個分子隨時間迅速變化的電偶極矩所極化，從而產生電的吸引力，這時分子力主要表現為引力；當兩分子非常接近時，各分子的外層電子云開始重疊，從而產生電的排斥力，分子間距離越近，排斥力越大，這時分子力主要表現為斥力。

根據系統相對論的分子模型可知，分子的場是由中性場和極性場構成的複合場，因此分子之間的引力F包括中性耦合力F和極性耦合力F兩部分，即：

另一方面，分子之間的作用面上，除了耦合面以外還有剪切面，剪切面產生彼此排斥的斥力F。因此，分子之間的相互作用類似光子中cn粒子之間的相互作用，對於處於穩定狀態的物體，其內部分子之間的引力和斥力是相互平衡的，即處於平衡狀態的分子受力F可表示為：

對於固體而言，內部的每個分子都在相對固定的位置上不斷地振動，每個分子的運動與其周圍分子的運動是相互協同、密切關聯的。因此就一個物體而言，它是其內分子共同構成一個協變系統。