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发表于 2005-5-22 23:26
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一、 光是什么
哥白尼提出了日心说，科学进入了一个新纪元。牛顿时代，很抽象的力也有了科学的定义。照亮黑暗的光是什么？自然引起了学者们的关注。光总是沿直线传播、光能透过针尖大的小孔，那它一定是比针尖更小的微粒，微粒学说稳坐了100多年。
之后，光的干涉、衍射等波的特性被发现，微粒派与光波派争论了100多年。到了1801年有了结论，光的波长、频率、干涉、衍射等波的特征已被人们精确测量或观察到，光且具有波的一切性质，光就只是电磁波。已被无数实验和事实所证明。
二十世纪初，科学家发现了光电效应：在光电实验中，一定频率的光照射在某些物体上，能产生电流。光照产生了电流，这是个事实.光照为什么能产生电流？电子是一个微小的带电粒子，电流是电子的定向运动。而光是有一定波长的电磁波，光怎么能、又是怎么样驱使电子使它定向运动？囿于当时（直至今天）人们对物质结构认识的局限，认为金属内是充满自由电子的。光电实验的事实，使光波理论在此遇到了麻烦。
为了解决光电效应与经典理论之间的矛盾，爱因斯坦先生将普朗克的量子假说加以推广，假设光是无数微小的粒子----"光子"，射向金属的"光子"把自由电子敲打出来形成了光电效应。并且提出"逸出功"理论，建立了著名的爱因斯坦光电方程。
这样，光电实验光强特性、频率特性、瞬时响应特性都得到了解释，又有了数学方程（光电子方程）的佐证，光电效应的所有理论问题似乎都解决了，爱因斯坦因此而获得了诺贝尔奖。于是，光电理论获得了广泛的传颂。人们就停止了对物质光电问题的探究，失去了探寻物质内电子运动的极好时机，也带来了迷茫--即二相性问题。
光是什么？"光既是波又是粒子，光有二相性"，写在目前的教科书上，书中亦不否认这是一个有悖逻辑的定义。常识告诉我们：波是连续延伸扩散的；粒子是单个独立的，既是波又是粒子的提法是与逻辑相悖的。这逻辑混乱的定义堂而皇之地呈现在科学殿堂，使无数学人陷入困惑之中。由此，带来了更大的困惑--测不准原理。
光有二相性，光既是波又是粒子，那么粒子（电子、质子）也应有二相性，于是电子等也既是粒子又是波。既是粒子又是波的东西在常理中是不存在的，泰斗们又提出非经典之说，波是非经典的波，粒子是非经典的粒子。科学在泰斗们手里玩弄，人们已经理不清头绪，学者们纷纷称赞非经典新衣的美丽（否则就显得愚蠢），微观世界被搅成了一锅羹。还有人总结了这种混乱，提出了测不准原理。
科学的职责是探寻事物运动的客观规律，从古到今，人类都在不屈不挠地追求测准。想当年我们人类还不是结绳记事，跨步丈量，壶漏计时。我们禅精竭虑努力测准，我们并没有因为测不准而放弃，人类才一步一步从蛮荒走今天的数字时代。宣扬无作为、把测不准作为原理而禁锢探索是反科学的。
二、 光电实验
光电实验的装置如(图一A)所示：入射光通过石英窗照射到金属制成的阴极K上，使K释放出电子，电子飞向阳极A形成电流。光电实验有以下特征：
图 一
1、频率特性：不同的金属，有其不同的极限频率，只有入射光超过其极限频率时光电效应才能发生。低于极限频率，再强的光也不能产生光电效应。(图一 表)
2、光强特性：在一定的光强下，外电压增加，光电流逐渐增大，达到饱和。入射光强，激发的电子较多，饱和电流较大。（图一 B）
3、瞬时响应：只要超过极限频率的光，即使很微弱，一经照射，光电效应立即发生。没有能量积聚的过程。
4、遏止电压：光电效应发生后，把电压减小到零，而此时的电流并不为零，（还有电子在流动！）只有加上反向电压，即加上一定的遏止电压才能使光电流减小到零。
光电实验的特征是自然的提示，是检验理论的标准，正确的理论应与实验特性全面地相符不悖。爱因斯坦先生的光电理论除了二相性困惑外，还留下了以下一些问题：
1、光电子的方向问题。 如果按爱因斯坦先生所设想的那样，光电效应中溢出的电子是在光子的撞击下发生的，那么产生的光电子应是顺着入射光子的方向运动,而事实是：产生的光电子不是顺着入射光，却是逆着入射光运动，如（图一 A）光由右向左射入，电子却由左向右运动，这样的碰撞是与自然常理格格不入的。
2、"逸出功"问题。 其实"逸出功"只是一个新名词，没有说明为什么不同物质有不同的"逸出功"，没能说明物体光电频率的实质。
3、甚高频率问题 爱因斯坦先生的光电方程显示，光的频率越高，"光子"的动能越大，光电效应越易发生。有条件的实验室可重作光电实验，频率过高，有些物体的光电效应反而会减弱直至停止。这种事实用光电方程是不能解释的。
4、遏止电压问题。 遏止电压由何产生？为什么外电压为零了，电子还在运动。没有了外电压，被碰出的电子应沿着入射光的方向运动，为什么事实正好相反。
5、逻辑一致性问题 现代教科书讲述光电理论，先是讲光子碰撞；（如何碰撞？）遇到了方向问题就讲能量；（光如何将能量交给电子？）遇到能量问题就讲频率。给人的感觉总是在绕圈子，缺乏逻辑的一致性，也没有说清楚其间能量是如何传递的。
6、半导体光电问题 在几十年后，人们发现了半导体，光照射在半导体上能导电率大增，产生光电流，人们把这种事实叫作光电现象。目前人们最普遍使用的是硅半导体，硅不是金属，没有自由电子，其光电效应是如何碰撞、如何产生？现代的凝聚态物理用另一种理论来解释光电现象。然而好的理论应该综合一个广泛的领域。
以上的问题是客观实在，是令人困惑的。所以人们完全有理由对爱因斯坦光电理论进行反思，有理由去探寻与事实全面相符的光电原理。
三、 认识物质
光电效应是光与物质之间的相互作用，是大自然给人类有关物质结构的重大提示。很多人轻信了以往的物质构成理论，忽视了自然的提示（金属的光电极限频率就是自然的提示），于是就使建立的理论生涩、狭窄、不合逻辑。而自然的法则是简单、合逻辑、系统。
物质中的电子 我们周围的丰富多采、变化万千的物质世界,竟只是由上百种原子构成。原子之间是如何结构,如何联系、变化；核外电子如何运动，一直是人们探寻世界的重大课题。
1、核外电子运动是有规律的 测不准原理是反科学的，事实上，核外电子的运动是极有规律的，请看实验：
加热一根金属棒，开始发红光，然后依次变成橙色、黄色、白色、和蓝白色。离开热源，金属棒逐渐降温，颜色也由蓝白色逐渐变黄变红，最后颜色消失，继续辐射着红外线。这种颜色的变化与电磁波的频率的逐渐变化完全对应！这不是巧合，这说明金属棒内一定有物质随着温度变化而运动着的物质，而且运动时辐射着电磁波。物质中最活跃是什么--核外电子，而且电子运动时伴生着电磁波。这就是物体中核外电子在运动，这种同温度下相同波长的电磁波的辐射，就昭示着物质内核外电子运动的线路、速率是整齐一致的，是极有规律的。
非金属物质玻璃、岩石等也同样有上述实验事实，这说明非金属物质内核外电子也有同样的运动规律。核外电子有规律的运动是物质的普遍属性。
2、自由电子是不存在的 在70年前，人们对物质的构成和运动的了解尚不深入，从当时--直至今天，人们都信奉金属内充满着自由电子的理论。
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传热导电。"电子的自由从何而来？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？ 自由电子理论缘何而来？自由电子论是本世纪初特鲁德（Drude）等人面对金属有较好的传热、导电性能，而提出的解释性的假说。尽管此说在解释金属物质的其他各种性能中有很大的局限性（如不能解释金属的强度、硬度、脆性、磁性等性质）。因无人全面地提出相左的意见，所以沿用至今。
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。
事实上，金属中所有的电子都是从属于各个原子的，是在一定的轨道上运转的，没有电子是自由的，自由电子理论是权宜之计的假说，这个假说是错误的。 如果自由电子理论是金属的基本属性，那么，就应该用此理论来解释金属的所有特性。然而很遗憾，在当今教科书中，解释金属的强度、硬度用到的是晶格畸变理论；解释金属磁性用的是磁畴理论；解释金属相变（熔化）用的是分子的热运动理论。这时的自由电子跑到哪里去了？理论的系统何在？
那么金属是靠什么传热、导电？请看《物质寻踪》第六、第八章。
作为一个普通学者，敢于对科学泰斗爱因斯坦的光电理论提出置疑，是因为光电理论是建立在金属的自由电子理论基础之上，而这个基础--自由电子理论，是人类延续了近一百年的理论失误。爱因斯坦先生的失误囿于在当时的历史条件下，轻信了自由电子理论。光电效应是光与物质相互作用的结果，而不同的金属有不同的极限频率，这正是研讨金属内部运动的极佳时机，而爱因斯坦先生却在光上面大作文章，把光波强加成"光子"，用"逸出功"绕过了问题的正面，关闭了研讨物质内部电子运动之门。
3、电子运动伴生着磁场 自从１８世纪人类发明了电，随即就发现了电的磁现象，电和磁二者相依相存密不可分，这种现象在中学物理中已有详尽的表述，直流电周围伴生着磁场已被无数个实验所证明：小磁针的偏转，同向导线相斥、异向相吸……。（图三）在直流电路中，只要电路导通（电子定向移动），导线周围的小磁针立即发生偏转--外磁场立即发生。即：电子运动伴生着磁场。
图三
还有，运动的电子在磁场作用下能发生偏转（正因为此，我们才有电视显像管），电子的运动为什么能发生偏转？事实告诉我们，磁场并不能对一般粒子起作用，磁场只能对磁性（或可磁化）物质产生作用。磁场能使电子运动发生偏转，这说明电子在运动时伴生着磁场，即，电子是粒子，电子在运动时伴生着电磁波。
粒子和波是不同的概念，电子既不可能二者都是，也不应该都不是。我们不要去刻意其中选择，然而这样的伴生则是完全可能的、经常发生的。物质运动时，周围伴生着其运动信息是自然界普遍现象。人们用钳形电流表测量的是电磁的感应，得到的是电子的流量。 我们可重做双缝实验，所有装置完全相同，只是在电子运行的路径上设置电磁检测装置，我们应该在飞去的电子周围检测到电磁波（图三 Ｂ），小磁针将发生偏转。电磁波从何而来？这是电子的运动伴生着电磁波。所有的运动的电子都伴生着电磁波，这些波相互干涉，扰动了伴波运行中的电子，使其偏离原来的方向，冲向了靶的不同位置。在这个实验中，电子就是在其伴生的电磁波之间随波逐流到达靶面，形成干涉亦在情理之中。
事实上，这种伴生现象在自然界比比皆是屡见不鲜。如：船是实体，船在水中航行伴生着波浪，同时，船又在波浪中起伏，我们能够测定船的振幅、频率，你能说船就是波吗？设想一个看不见波浪、把船看成粒子的巨人，当他测得了"粒子"的振幅、波长，他很有可能把"粒子"看成既是粒子又是波。机械运动伴生着振动，如：火车是物体（粒子），其运行时伴生着轰隆隆的响声（波），人们在铁路附近听到了轰隆隆的响声，知道火车来了。此刻的火车是粒子（实体）还是波？ 运动着的物体及其伴生的波是一个系统。人们不应抛开系统而用单向思维，把一个关联的体系刻意去捏合或分开。就像太阳（实体）和阳光（波）一样，没有太阳，阳光（波）从何而来？一个没有阳光的太阳还能叫太阳吗？此时，若有人定义：太阳既是天体又是电磁波。（因天体和电磁波是不同的概念，于是又加上一句：）太阳既不是天体又不是波。其荒谬则不言而喻了。
同理，运动着的电子及其伴生的波是一个微观的系统。正是因为运动着的电子伴生着波，所以电子电子能够长期稳定地绕着原子核运转，而不致于呈螺线落进核内。如果把电子仅仅看成一个粒子，而忽略了其伴生的波，那么就会得出核外电子会落入核内；电子的运转速率超过光速的荒谬结果。
伴生是自然界普遍现象，从宏观宇宙天体到微观质子电子，无不存在着伴生状况。在现实世界，一切运动的物体都伴生着信息：抛出一个石子，就伴生着质量，方向、角度、初速度、加速度、轨迹、落点等多种信息。前面所讲的火车，除了伴生着响声外，还伴生着车次、车速、车况、行车里程、燃料状况等诸多信息。再看我们人生，一个人一出世就伴生着出生日期、父母姓名、家庭住址，接着就有了自己的姓名、就读的学校、学历、文凭、兴趣、爱好、身份证号码、电话号码……。
用伴生的观点看待事物，看待粒子和波，符合事实、符合逻辑、符合哲理，显然比那种"既是又不是"有理有据。伴生是用系统的观点看待事物，看待事物的运动、看待事物的联系、反映事物的客观实在，它能逻辑清晰地把观测到的事实普遍联系起来，丝毫没有牵强和矫揉，并能综合解释一个广泛的领域。
四、 光电原理
光电原理 了解了物质、了解了物质的核外电子是在各自的轨道上绕着原子核按一定的速率有规律地运转，且在运转轨道的垂直面上伴生着电磁波。电子运转的速率就形成了这电磁波的频率，内层电子速率较高，外层电子速率较低，外层电子的运转速率，就是不同的金属所具有的的极限频率。
明确了物质结构，我们再回过头去看光电效应，前述经典理论的所有困惑都迎刃而解了，我们就可以心平气和地用经典的理论、用经典的思维去讨论和认识光电效应，用逻辑和理性来解释光电实验的所有特性。
光电效应的发生是光波与物质核外电子相互作用的结果。
1、频率特性：
因为金属内不存在自由电子，光电效应中的电子流不是"碰"出来的，而是共振"振"出来的。一定频率的光照在该物体上，照射光（电磁波）的频率与物体外电子运转所形成的电磁波的频率互相吻合，形成了共振，共振之下电子溢出，在电压的作用下换位移动形成电流，于是就形成了光电效应 （图一）。
入射光的频率高，激发的是速率较高的内层电子，所以光电子的初动能较大。
2、甚高频率：
当入射光的频率更高，超过了内层电子运转伴生的电磁波频率，二者不能发生共振，故而把光的频率加至甚高频，光电效应将减弱直至停止。所以，不存在溢出功。
3、、光强特性：
共振的发生与光强（振幅）无关，只跟入射光的频率相关，所以低于极限频率，再强的光也不能产生光电效应。效应中溢出电子的动能，源于核外电子共振前绕核运转时的动能，也与光强无关，所以再强的光也不能增大电子的动能。
在一定的光强下，只有部分原子受到光波的激发，外电压增加，光电流逐渐增大，达到饱和。入射光强，激发的电子较多，饱和电流较大。
4、方向特性：
因为光电效应发生的原因不是碰撞，所以就不存在被撞后的运动方向问题。光电效应的发生是源于共振，共振出的电子向内运动阻力较大，所以只在阻力较小的受光面跳跃。在电场作用下形成电流。
表面电子跃出后，表面原子就向内部原子外围挪用电子，于是就造成了金属内层缺少电子。使验电器带正电；如果把验电器置于受光表面则会带负电。
5、瞬时响应：
因为光电效应发生的原因是共振，只要超过极限频率的光，即使很微弱，一经照射，光电效应立即发生。不需要能量积聚的过程，所以光电效应具有瞬时性。就像大声喊叫引发雪崩一样，二者的能量是不需成比例的，也不需要能量聚积。
6、遏止电压：
光电效应发生后，把外电压减小到零，然而光电流继续流动不止。这是因为在光波共振作用下，受光面电子继续跃出，表面原子继续向内部原子外围挪用电子，形成电流，只有外加一定的反向电压，光电流才能停止。于是就有了这遏止电压。
7、非金属的光电现象：
光电效应不是靠"光粒子"撞出"自由电子"的，所以光电效应在非金属物体中也能发生。许多没有"自由电子"的半导体物质在一定的频率的光的照射下，其导电能力大增，例如硅半导体。人们把硅产生的光电功能叫作光电现象，或叫作内光电效应，用另一种理论来解释，其实大自然不会把事情弄得那么复杂，光电效应和光电现象的原理是一样的，都是光波对运转的核外电子所形成的共振。
在光电现象中，原子一定频率的光波对运转中的硅原子的外层电子形成共振，共振之下电子的运动发生紊乱，造成了电子运转的拥挤和等待，在等待之时形成了电子空位，外来电子在空位间穿行，使硅的导电能力大增。
大家都知道我国古代有一器皿叫鱼洗（也有叫龙洗）。用湿手摩擦其两个上柄时，盆体振动，盆中水受激振动，从水面跳出近 20 厘米高的小水珠。这些小水珠不是用什么东西碰出来的，也不是靠什么粒子打出来的，而是由于用手摩擦后盆的振动频率与水的振动频率一致，形成了驻波振出来的。鱼洗现象中跳出水珠的高度并不是与力气大、频率快成正比，也存在着频率特性、振幅特性、瞬时特性。光电现象情同此理，也是振出来的：入射光的频率与物质内电子的运转频率一致，在物质内形成驻波，使运转的电子共振，脱离了原轨道，在电压的作用下定向移动形成电流。
在有条件的实验室可以做以下实验：在测试某种材料的截止频率时，改变材料的温度、压力，即加快或降低材料的电子速率，这样将能使截止频率有所改变。笔者推测：温度、压力增加，材料的核外电子速率增加，这时其光电效应的截止频率将有所增加。
在高中物理教科书中，把在微弱光线作用下，照片暴光所形成的局部斑点作为光的粒子性的证据，这是一种误导。在胶片感光反应中，入射光电磁波的某些频率与胶片表面光敏物质的核外电子的电磁波频率一致，形成共振，使一些光敏物质发生反应、重新组合，形成新物质，于是，在胶片上形成亮点。胶片上的感光材料也是物质，也有材质均匀、反应快慢、相互影响的事实。在微弱的光线作用下，光敏反应要么在某一局部（点）完成，要么就引不起反应，因而所形成效果是一些分散的小亮点。把局部分散的反应看成光波粒子性的证据是很幼稚的。
这样，在认识了物质、认识了物质核外电子的运转之后，所进行的光电效应的研讨，思维方式是经典的、前后逻辑是一致的、论证过程是理性的，所有的事实、过程与论证全面的相符不悖，没有任何牵强、造作，更没有幽灵。显然比那种"既是又不是"更具理性、更接近事实的本来面目，并能综合解释光电现象，涵盖一个广泛的领域。
天空為什麼是藍的？
美國航太總署哥達德太空中心研究人員暨美國哥倫比亞大學地球與環境科學副教授傑尼歐的解釋如下：
我們應該感謝散射作用，它使散射至大氣層中的藍光，比紅光等波長較長的光多出九倍。太陽光是所有顏色混合起來的，當陽光通過大氣層時，其行為就像電磁波的混合體，會使空氣分子中的帶電粒子（即電子與質子）產生共振。共振會產生與入射陽光頻率相同的電磁輻射，但這些輻射會向四面八方散射。
可見光中，藍光的波長小於紅光，頻率則高於紅光。因此，藍光造成帶電粒子的共振比紅光所造成的共振快，使得散射的藍光幾乎是紅光的10倍。紫光比藍光更容易散射，但進入大氣層中的紫光較少，且人眼對藍光較為敏感。
要是行星沒有大氣層，就不會有散射作用，因此也不會有蔚藍的晴空。從太空人在月球上拍攝的照片就可以看見，月球的天空暗如子夜
[ Last edited by 绝望的生鱼片 on 2005-5-23 at 06:34 ] |
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发表于 2005-5-22 23:28
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