分子能与应用探讨.pdf

分子能及其应用探讨 孙振德 陕西西安 (710065) E-mail：thesunthemoon23@ 摘 要：本文通过对分子结构的分析提出了气体分子势能空间的空间模型，揭示了气体分子 运动及其碰撞的微观本质，得到气体分子的势能空间与温度、压力的关系，及与气体的能量 密度关系，根据气体分子势能空间的能量特性引进了分子能的概念。分子能是指因改变气体 分子势能空间的空间尺度而吸收或释放的一种能量，这种势能空间是由原子核自身运动及核 外电子高速运动所产生。分子能是一种客观存在的能源，同矿物能源和原子能相比具有十分 明显的优点，它储量丰富，且可以快速再生，无任何污染，可以极大限度地改善我们的生活 环境和大气的质量。为了说明分子能的某些特性，本文特地介绍了“一种利用分子能技术提 高发电效率的风力发电系统”及“一种可以实现自持循环的动力系统”等发明及应用实例。 关键词：分子能，势能空间，气体分子，能源 中图分类号：N04 1. 引言 分子是物质中能够独立存在，并且保持该物质一切化学特性的最小微粒，物质或者说宏 观物体（包括气体、液体和固体）都是由大量分子组成的。所谓宏观物体，是指在尺度上远 比原子、简单分子这类微观粒子大得多，能够被人们直接感受到的“物体” 。这里所说的“分 子”是泛指组成宏观物体的结构粒子，它可能是由若干原子组成的构成物质基本微粒的可以 单独存在的分子，也可能所指的就是单质物质的原子或离子。 人类关于分子的认识已有几百年的历史，经历了二十世纪的突破之后，人类对物质及物 质结构的研究，包括分子、原子、离子、原子核、原子核外电子等的研究取得了巨大的成就， 其中，原子能的应用成就了物质研究的辉煌一页，是人类在寻求矿物能源之外的新能源的道 路上迈出的一大步。原子能（Atomic Energy ）本质上是一种原子核能（Nuclear Power 或Nuclear Energy ）,它应用了原子中一个特定组成部分的能量，通过改变原子核的物理特性而释放出 能量，即通过原子核的裂变或聚变释放出来的能量，产生出新的物质，同时也注定了它的不 可再生性。从能量应用的角度出发，涉及到原子核外电子的一种能源应用形式是化学能 （Chemical Energy），而作为物质基本微粒的分子是否也含有某种能量，且这种能量可以被 人类应用于能源的目的？关于分子结构研究的成果表明，分子本身具有多种微观能量存在， 其中就包含着分子级的能量，这是本文所要探讨的内容，在此引进一个新的概念——分子能 (Molecular Energy)，严格地说应当称之为原子能，因为它涉及到组成原子的原子核及核外电 子，把它们视为一个整体来探讨，由于有些物质的组成分子就是单质的原子，为了区分人们 已经接受的原子能概念，把这种能量称之为分子能。 2. 关于分子研究的经典论述 组成物质的分子具有一定的质量，占有一定的空间。除此之外，分子之间还存在相互作 用力，包括分子之间的吸引力、排斥力和相互碰撞，所有这些在相关领域的研究中已经得到 了经典的论述。概述如下： 2.1 分子的结构 组成分子的原子其电子除围绕原子核高速旋转外，其自身也在作自旋运动，而原子核本 -1- 身也在作转动( 自旋)和振动运动。原子核内每个核子除相对其它核子运动外，原子核的整体 还发生转动( 自旋)和振动，处于不同运动状态的核，不仅有自己特定的形状，还具有不同的 能量和角动量，这些能量和角动量都是分立的，形成不同的能级。这表明，在原子核和电子 之间，除了库仑力为电子提供向心力外，还由于原子核的自旋、电子的自旋及电子绕原子核 高速旋转产生非均匀磁场为电子提供反向心力(离心力)及角动量。如图 1 及图 2 所示。 在图 1(a)中，原子核与电子在库仑力的作用下产生相向运动，产生垂直于库仑力方向的 平面磁场，在图 1(b)中表示的原子核、核外电子因其自旋而产生的磁场，在图 1(c)中由于原 子核与电子作相向运动，原子核与电子各自的空间磁