作者：彭晓韬
[文章摘要]：目前人们所熟知的主要观点是：微观世界的运动规律是由量子力学所主导的，但到底何为量子，其内涵和机理等并不十分清楚，甚至由此推演出很多千奇百怪的假设和猜想。让人们感觉到：微观世界的运动规律是不可捉摸的、神秘莫测的、不可预知的。本文针对微观世界中原子级别的运动作些分析与探讨，供有兴趣者参考。
一、微观世界的运动因素分析
目前人类已知的自然世界存在四种相互作用，即：万有引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。
在不涉及原子核的内部运动规律时，强、弱二相互作用应视为不影响原子的运动，只有万有引力和电磁相互作用是决定原子运动规律的二个基本力。还有一种我们最熟悉的力——惯性力。
因此，在原子级别的微观世界，主导原子运动规律的力只有万有引力和电磁力。而惯性力是我们为了表述外力在改变带质量物体运动状态时的一种表达方式。
二、原子运动状态的改变因素分析
无论按经典力学或是相对论理论或是量子力学来观察和分析原子（由原子核和外部电子构成的带质量的运动体），都应该建立在如下基本共识的基础上：
1、在没有任何外力的作用下，原子运动状态将不会改变；
2、原子运动状态的改变必定有某种外力对其产生作用，且这种改变的方式、量度与外力的方向和大小成正比；
3、原子运动状态的改变仅与原子所在空间位置上的万有引力或/和电磁相互作用合力有关；
4、在特定坐标系中，原子处于平衡状态时，原子核所受到的万有引力和电磁力均由外部电子处于特殊运动状态而抵消。也就是说，原子核受到的外力是由外部电子提供了与外力相反的力才达到平衡状态的。也就是：原子运动状态的改变由且仅由原子所处空间位置的万有引力和电磁力的合力决定。
三、在特定坐标系中静止或匀速直线运动中的原子运动状态分析
1、单个自由电子和质子的受力分析
假设自由电子和质子所在空间位置上任意时刻t时的万有引力强度为G(t)、电场强度为Ｅ(t)、磁感应强度为Ｂ(t)，电子的质量为m，质子的质量为M，电子的电荷为-e，质子的质量为+e，电子的磁矩为u(t)，质子的磁矩为Ｕ(t)，则如下图一所示：
从图一可知：自由电子受到的力主要有：万有引力G(t)m，库仑力-Ｅ(t)e，磁力-Ｂ(t)×Ｖ(t)e，还有使电子磁矩旋转到与外磁场Ｂ(t)同向的力偶。
从图二可知：自由质子受到的力主要有：万有引力G(t)Ｍ，库仑力Ｅ(t)e，磁力Ｂ(t)×Ｖ(t)e，还有使质子磁矩旋转到与外磁场Ｂ(t)同向的力偶。
从上图一和图二可知，电子和质子在同样的外部万有引力和电磁环境下的受力是不同的，主要是质量不同，电性相反的原因所致。
2、单个电子和单个质子构成的原子在自由状态下的受力分析
如上图三所示：当单个电子与单个质子构成原子且与周边其他带电或带质量的物质距离远大于原子的直径时，除图一和图二中的各种力以外，新增加了图中用红色箭头表示的电子与质子间的万有引力和库仑力的和Ｆ(t)，以及由于电子围绕质子作高速圆周类运动、质子因电子的运动也类似的同步运动而产生的磁力f(t)。
3、单个电子和单个质子构成的原子在非自由状态下的受力分析
如图四所示：当原子周围存在相同的原子且距离与原子的直径可比拟时，其他原子的运动状态将直接影响该原子的受力和运动状态。所有周围的其他原子中的质子对该原子的质子存在排斥力，而对该原子的电子存在吸引力；所有周围的其他原子中的电子对该原子的质子存在吸引力，而对该原子的电子存在排斥力。
由以上分析可知：原子的受力是非常复杂的，即使是在自由状态下的单个原子的受力也是比较复杂的，在非自由状态下的受力就更加复杂了。
4、单个电子和单个质子构成的原子在任意状态下的受力分析
把除被研究的原子以外的所有物质的万有引力和电磁力设定为外力；把原子中电子和质子间的万有引力和电磁力设定为内力。则：
如下图五所示，原子中的电子受到的力主要有：原子核的万有引力Ｆ、库仑力Ｅ和洛伦兹力Ｈ，核外的其他带质量的物体的万有引力合力Ｆ0、带电的物体的库仑力的合力Ｅ0、带磁的物体的洛伦兹力的合力Ｈ0；电子作圆周运动或其他变速运动（速度为Ｖ）时的惯性力Ｑ。原子核也受到外部电子的万有引力f、库仑力e和洛伦兹力h；电子以外的宇宙其他带质量的物体的万有引力合力f0、带电的物体的库仑力的合力e0、带磁的物体的洛伦兹力的合力h0；原子核运动状态改变时的惯性力q。设电子的质量为m，原子核的质量为M；任意时刻t时电子围绕原子核运动的半径Ｒ（t）。
也就是说：在相对原子核静止的坐标系中，电子任意时刻t受到的各种力的矢量和为：
上式中的g为除原子核或电子以外的宇宙全部质量在时刻t时作用在电子或原子核上的万有引力的合力构成的加速度值，在地球表面上可近似认定其为重力加速度。
由公式三和已知的电子和原子核的质量、原子平均半径、电子围绕原子核运动的平均运动速度等可以粗略求得电子所受原子核的万有引力、电磁力和惯性力大小。相应地可以得到原子核受到电子的万有引力、电磁力大小。
我们适当修改公式二的表述，可得：
公式四表明：为了使原子核保持静止或匀速直线运动，原子核受到的、除外部电子以外的电磁力和万有引力的合力需要位于外部作高速运动的电子的万有引力和电磁力来平衡。在相对原子核静止的坐标系中，由于原子核受到的合力基本上不随时间变化，而外部运动的电子是在不停地运动变化的，其施加给原子核的万有引力和电磁力的大小和方向是随时间变化的。因此，外部的电子虽然可不停地调整与原子核间的距离来改变其对原子核施加的万有引力和电磁力的大小，但方向的随时间变化使得公式四要保持在任意时刻t时均成立就存在问题了。
由以上分析可知：原子核要保持静止或匀速直线运动，外部电子的运动轨迹不能是圆周运动或定半径球面运动，而必须不停地调整自己的运动轨迹来为原子核提供满足静止或匀速直线运动所需的条件。
如果我们在地球表面上来分析相对地球表面保持静止或匀速直线运动的原子受力情况，则：原子核受外部万有引力和电磁力的合力主要为重力。因为，因外部电子在原子核周围高速运动形成的球形区域以外的在电磁性质上可近似视为中性，其外部电磁力对原子核的作用力可基本忽略不计。因此，不断变化位置与方向的电子对原子核施加的万有引力和电磁力需要抵消重力对原子核的作用。但因电子在不停地运动中，施加给原子核的万有引力和电磁力的方向随着运动而不断改变，从而不能保证任意时刻t时均给原子核提供与重力方向相反的力。因此，原子核也会不断调整自己的空间位置，以达到在宏观时空上不存在大的位置变化。而外部电子也会因为原子核空间位置的变化而改变自身的运动轨迹。这就是我们所熟悉的“电子云”的原因所在。我们可以参考公式二推导出如下公式：
鉴于原子相对地球表面相对静止或匀速直线运动，则公式五表述的原子核任意时刻的合力应该在一定时间内的积分为0，也就是原子核所受到的力为随时间周期性变化的力。原子核的空间位置也随时间成周期性变化。原子核的空间位置的周期性变化将导致外部电子的空间运动轨迹也成周期性的变化，即所谓的“电子云”般的运动图像。
综上所述，原子外部电子的运动轨迹成不规则状的根源是：原子核的空间位置非固定不变，外部电子施加的万有引力和电磁力的合力的大小与方向随时间的变化导致原子核的空间位置也随时间变化。外部电子为了平衡原子核空间位置周期性变化而改变自身的运动轨迹。
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