火红的说明 几十万年前，人类发明了用火，橙红色的火焰伴随着人类进入了今天的文明世界，"火为什么是红色的？"这是几万年来一个恒古的话题。直到本世纪初，人们才用电子的跃迁放出"光子"，作出了初步的解释。但是这种解释太粗糙，只能解释火光的形成，未能说明火光为什么出现各种颜色；未能说明火光的变化；更没能说明变化的各个阶段和细节。没能把外部的变化与内在的运动进行有机的联系。
　　今天，还有不少的小孩（学生）在问这个问题，火柴的火焰为什么是橙红色，而酒精灯的火焰却是蓝色？大人往往几句话就把这个问题打发了，殊不知这是大自然给我们的提示、是今天的科技前沿。
　　我们先来看看火吧。一根燃烧着的树枝（或火柴）发出耀眼的火光，火旺时，温度高，光色黄亮，随着火焰的逐渐熄灭，温度逐渐降低，火光逐渐由亮黄变橙、变红、变暗红，最后火光熄灭，尚有余热，这说明余烬还在辐射红外光波。
　　当今我们也可以用电阻丝或白炽灯泡来观察这一过程：随着电流的增大，电阻丝的温度逐渐升高，所发光的频率也由红外-红-橙-黄-白逐渐升高。
　　如今人们已经知道，燃烧物质或灯泡发出的光 ，实际上都是电磁波，而且是各种电磁波频率
中的一小段，电磁波在低频时叫微波、红外波，这种波能使人感到热，但见不到光，随着电磁
波频率的逐步增加，就有了我们肉眼所能见到的光——赤、橙、黄、绿 ……，而且温度越高
光的频率也就越高。
　　燃烧的火柴、点亮的灯泡、灼热的岩浆，不管它是金属非金属、是固态还是气态、是有机还
是无机物，自然界的热发光都是由灼热的物质发出的，（日光灯等我们另外讨论）灼热的物质
为什么会发光？——光是电磁波，只有电子的运动才能发出电磁波。这说明这灼热的物质中必
定有电子在运动，而且它的运转频率是与所发出的光波频率是一致的，正是这些运转着的电子
向外发出电磁波的辐射，才有了我们所看到的光。这就是自然界给我们的启示。
将以上温度、颜色、频率、速率等物理现象联系起来，作一归纳，我们就可以得到下表：

火焰颜色： ……微波红外波 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 紫外波……
光波频率： ←—低———————————高—→
火焰温度： ←—低———————————高—→
核外电子速率： ←—低———————————高—→

　　从这一过程中我们不难看出，火焰由旺到熄，温度由高到低，其火光颜色由橙变暗，其
光波的频率也由高到低。这种联系这么明显、这么紧密、这么相关，这说明这灼热的物质中的
电子的运转速率一定是紧随温度而变化，温度由高到低——电子速率由快到慢。于是，才有我
们眼里的这由橙到红，由红变暗。这不是杜撰、不是巧合，这也是自然的火焰给我们的启示。
有经验的炼钢工人，观察钢水的颜色就能估计炉内的温度。
　　火焰除了红色以外还有蓝色、绿色，（如酒精灯，煤气炉的火焰）这说明其燃烧的温度更高
，其中的电子运转更快，速率与高频率的光波相当。
　　就是同一火焰，如，蜡烛或火柴的火焰，其外部、内部、中部及下部的颜色也都不尽相同，
这也与其各部分的温度息息相关。
　　正是因为电子的运转速率随温度变化，才导致了物质的相态的变化。一般物质都能随温度的变化而形成固态、液态、气态，这些都是电子运转变化的结果。
　　教科书上说：温度是物质的冷热程度，这是一个广义直观的定义。如果把常态下的物质现象与物质的运动结合起来，进一步进行定义，那么：温度就是物质核外电子运转的相对速度。
　　处在较高温度的物质向外辐射着电磁波，一定频率的电磁波也可以使被照射物质的电子运转速率增加，温度升高。这就是所谓的热辐射，实际上是电磁波的辐射。所以人们就在篝火边、在阳光下取暖。

　　阳光问题 "温暖的阳光照耀着大地。"这是许多文学作品常用的一句话。然而，这句话是错的！至少是不确切的。因为阳光不是温暖的。
　　"阳光怎么不温暖？我们在阳光下，冬天暖、夏天热。"是的，这是事实，这是因为在这里除了阳光，还有你，还有周围的物质。
　　阳光是由太阳辐射出的许多不同频率的电磁波，纯粹的电磁波是没有温度的。不信？几千米的高山上的皑皑白雪就是证明。如果你在夏天的中午登上峨嵋山，此时你离太阳更近，应该感到更热，然而事实是，山顶的温度比山下还低十几度，所以山上出租棉大衣的生意十分兴隆。这是因为高山上空气稀薄、物质较少，由于只有较少的物质接受电磁波，因而温度也较低。
有物质才有温度，故而，高处不胜寒，在太空中没有物质也就没有温度（接近绝对零度），在高空航行的飞机，也有一个防冻的问题。
　　设想在地球以外，在地球公转的轨道上（等于地面到太阳的距离）放置一个温度计，那么这个温度计上显示的温度恐怕只有零下二百度。
　　阳光（电磁波）只有照射在物质上，使原子核外的电子加速运转，物质的温度才得以升高。而且不同的电磁波的频率对不同的物质作用不尽相同。红外波的升温效果最明显，紫外波则不显什么热量。这还说明，一般物质的电子运转频率与红外波的频率相近。
　　微波炉对食物的加热效果很好，而且穿透性很强。这说明食物--碳氢化合物的核外电子运转的频率与微波的频率相近。用微波炉你还可以做一个实验：把一个装半杯水的杯子和一个空杯子同时放进微波炉，微波二分钟。开门察看，哪个杯子的温度高？
　　为什么有水的杯子温度会高些？这说明：1、微波没有温度，有物质才有温度。2、微波的波长对水的（氢、氧）核外电子作用更大，

　　燃烧问题 在中学化学课上，我们了解到燃烧，燃烧是物质氧化反应的一种形式。碳燃烧可以形成一氧化碳CO,一氧化碳燃烧可以形成二氧化碳CO2。二氧化碳也是由碳和氧组成，碳和氧都可以燃烧，为什么二氧化碳就不能燃烧，而且还可以作灭火剂？
　　现代文献上说，燃烧放出了热量，是焓的减少。那么什么是焓呢？焓是从哪里来的？焓给人的感觉很像是燃素，只不过是没有了重量，其含意有点象能量，但又不全是。为什么碳有焓，氧有焓，二氧化碳就没有了焓？焓听上去很高深，实际上什么也没说，焓也是一个唬人的包装。
　　其实，从电子运动的观点来看，燃烧是因为氧气的核外电子的速率很高，它与燃料的原子结合时（氧化反应），必须降低速率，在降低速率时释放出电磁波，于是就表现出发光、发热。
　　碳和氧结合，在氧不充分的条件下，形成一氧化碳。这时它们的核最外层电子之和有10个（6加4），核外电子的速率还处在较高的状态。如果氧气充分则形成二氧化碳。其核最外层电子之和有16个（二个8），三个原子结合成最稳定的状态，大部分的能量以电磁波的形式向外辐射了，电子速率维持在一个最低最稳的状态，再不能大幅降低。这就是定组成的制约，所以也就不会出现三氧化碳。
　　这燃烧时发出的光、热能量，实际上是核外电子降低速率的部分动能。我们平时所说的煤炭、石油、酒精等的化学能，实质上都是核外电子的动能。从这种意义上讲，今天我们的汽车、轮船、飞机竟是由微小的核外电子推动的；火箭、卫星也都是由微小的核外电子送上天。
　　亿万年来，太阳用辐射的电磁波加速了核外电子，今天我们用核外电子的部分动能推动了汽车、火箭。自然的法则就是这么和谐简单。
　　综上述，热能、化学能都是蕴藏在原子中核外电子运动的动能。这样，使得热能、化学能都归纳到动能的领域，使得能量的概念更加系统和谐。
　　用电子运动速率的思路进行开发，人类有可能研制出清洁高效的新能源。

　　呼吸 再看看我们人类和动物，时时刻刻都在呼吸，吸入氧气，呼出二氧化碳。从体积上看，吸入的和呼出的气体体积相等。从原子数量上看，吸入两个氧，呼出两个氧，还搭上一个碳，其意义何在？大自然给我们人类和动物有限的体内安置了这么大的肺和完善的呼吸系统，难道就是要做这赔本的事？我们确信大自然的作为是精确、精细的，是效率极高的。
　　是的，从原子个数上看是亏了。然而从能量上分析，我们吸入的氧气，其核外电子的速率比呼出的二氧化碳的速率要高得多。人们在呼吸中所获取的就是这核外电子的速率--能量。氧把较高的核外电子速率传递给了人体内的原子，使这些原子获取了能量，从而使细胞充满活力。人和动物时时刻刻都在呼吸，从呼吸中所获取的能量比食物中所得到的要多得多。
　　当然我们必须吃进食物，其中一个重要内容是从食物中获取碳，以供我们呼吸。医学专家应当研究一下碳在我们体内的循环，碳循环涉及到人体的几个系统。
　　秋天，一头大熊吃得胖胖的，身体充满着脂肪，体重达300公斤。冬天来了，大熊躲进了树洞，不吃不喝，保持着微弱的呼吸，进入了冬眠。一个冬天下来，胖熊变成了瘦熊，体重减少了三分之一，在此期间它没有排泄、没有出汗，100公斤的重量到哪里去了呢？--被微弱的呼吸呼出去了！脂肪的主要成份是碳氢化合物，脂肪里的碳都被呼出去了。

　　核外电子的速率 综上所述，我们已经知道了核外电子的速率是随温度变化的，怎样求得核外电子的速率？将是今后科学所必须面对的问题。然而在现代学界有一种理论说电子既使粒子又是波，（即波粒二相性理论，本文将在第十章专题讨论。）说电子的运动是无规律的，电子在核外运转形成电子云。电子的运转是测不准的，探讨电子的运动是无意义的。尽管这一理论的创建者极具权威，但是大自然的提示是绝对不应也不能忽视。
　　设想一群外星人在遥远的天体观测到我们太阳系，他们看到，太阳只是一个中等亮度的星星，行星系在高倍望远镜下也只是一群若隐若现的暗物质。正当大家感到茫然时，一个权威说到：那些围绕恒星运转的只是行星云，行星的运转是测不准的，研究行星的运动是没有意义的，只能用几率来统计，于是他们的研究就到此为止。这样，他们将与多少科学知识失之交臂、他们将陷于多么深重的无奈和愚昧之中。今天，我们对核外电子的认识正与他们相似。
　　是的，今天我们测量核外电子的运转是极其困难的，要想测量准确更是困难重重，然而我们人类就是在不断的克服困难中发展起来的。想当年我们人类还不是结绳记事，跨步丈量，壶漏计时，一步一步走到今天。我们完全有理由充满信心去探测电子运动的线路和速率，做一个新时代的哥白尼。
大自然已经给我们提供了讯息，我们不妨顺其指引。
1、 把某纯物质移至温度较低的环境之中，监测物质温度和环境温度，检测物质所辐射的电磁波的　　频率。从而建立此物质的温度--频率对应表。
2、 用一定频率的光照射某纯物质，记录其温升情况。
3、 用微波……。
4、 铯原子钟有着极其准确的辐射，这种辐射从何而来？
　　相信你能设计出更多、更好的检测核外电子速率的方案。

　　自由电子置疑 以上文中多次谈道核外电子运转的速率及变化，而且这变化是紧随温度而改变的。有人会问：金属内的电子是自由电子，其运动是自由的，难道也是要随温度变化？如果是紧随变化，那么其运转半径、速率岂不都成了固定的，又谈何自由？
　　从中学到大学，理化书中都写到："金属内部充满自由电子，金属是靠其内部的自由电子导电。"事实真是如此吗？为什么银、铜内的电子有更多的自由？而其它金属内的电子的自由度要差些？为什么非金属内的电子一点自由也没有？
　　如果金属中充满自由电子，而且有充分的自由，那么，自由电子在原子之间就像石子间的沙子可以自由运动。如果电子比原子重。那么埃菲尔铁塔下面的电子就会多些；如果电子比原子轻，则铁塔下面的电子就会较少。
　　如果金属中的电子自由，那么在高速旋转的发动机飞轮里、在高速运转的火车轮子中，自由电子就会被甩出，至少也会被甩到轮子的边沿。然而这样的现象从来未发生。看来自由电子理论是值得怀疑的。
　 其实那种认为导体是靠自身的自由电子导电之说，是历史留下的误会：自由电子论是本世纪初特鲁德（Drude）等人面对金属良好的传热、导电性能，而提出的解释性的假说，虽几经修改，但如前文所述，此说在解释物质各种性能中有很大的局限性，但又无人提出相左的意见，所以沿用至今。
笔者对自由电子理论是持否定态度的。除了上述置疑，我还做了一个实验，这个实验很简单，每个读者都可以做，这个实验实际上是一个手电筒，只是多了两个温度计，其装置如图（3-1）。

　　　　（A） 　　　　　　　　　　　　（B）
　　　　　　　　　　　　图3--1

　　漆包线在两个温度计的感温头上缠绕了18圈。当电流导通后，电珠发光，电珠电阻丝上的温度至少有600--800 C°。如果金属是靠自由电子导电，那么从电阻丝高温中流出的应该是"较热的自由电子"，图（A）中右边的温度计的读数就应该较高。把电池反向后图（B），左边的温度度计的读数就应该较高。
　　然而事实是，不管是接通还是断开，不管是正接还是反接，两个温度计的读数基本没有差别。看来金属是靠自由电子传热的假说是不能成立的。金属是靠自由电子传热的理论是一个流传了近百年的错误。
　　有条件的实验室还可以用更大功率的灯泡、更高电压的直流电源来作同样的实验，还可以用更精密的仪器测量，结论我想是相同的。
　　因为温度是原子行为，是原子的核外电子运转速率的表现。电子只具备电性能和磁性能，实验表明，电子自身不具备温度性能，即电子自身不能携带温度。因而那种靠电子传热、靠"自由电子"传热的说法是错误的。
　　那为什么金属的传热性能较好，而非金属的传热性能很差，不是靠自由电子，金属是靠什么导热的呢？这一问题将在介绍了物体结构之后、在第五章讨论。
另一猜想--金属是靠自由电子导电的假说也是不真的。那么金属是靠什么导电的呢？在了解了金属的结构之后，将在《导电原理》一节中论述。