光电效应——爱因斯坦先生错在哪里？
晏成和 （yych66@126.com）
写下这个副标题引人注目，但一定要言之有实。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，是因为爱因斯坦的光电理论是建立在自由电子理论之上。我在金属静电电压的形成、导电原理等文章中，以实验事实为依据批驳了“金属内充满自由电子”的理论，自由电子是杜撰的假说、不是自然事实，则建立在其上的新理论的失误在所难免。
上篇文章依据物质对光的反射、吸收的事实，研读了发生这些现象的内在原因是：物质内由于核外电子规律运转，伴生某些频率的电磁波。有了这些作铺垫，接下来要讨论改变物理历史进程的重大实验：光照射物质使得发生电流的实验——光电效应实验。
[实验] 光电实验的装置如图3（A)所示：入射高频率的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形成循环电流。
图3
光电实验有以下四大特征：
（1）频率特性：不同的金属，有不同的极限频率，入射光超过其极限频率光电效应才能发生。低于极限频率，再强的光也不能产生光电效应。图3（C）
（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。（图3B）入射光强，激发的电子较多，饱和电流较大。
（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。
光电效应表面上是光与电的相互作用和转换，实质上是光与物质（金属）之间的相互作用，是光与物质的核外电子之间的相互作用。既然是相互作用，就要向矛盾的双方进行探索、反思。要解读、解释光电效应，一是要认识光，二是要认识物质、认识物质对光的承受的内因、认识物质的核外电子及其伴生着的电磁波在其间的作用。
光是什么 牛顿时代，很抽象的力也有了科学定义。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300多年。
之后，光的干涉、衍射、偏振等波的特性被发现，微粒派与光波派争论了100多年。到了1801年，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，光具有波的一切性质。麦克斯韦方程揭示：光就是电磁波。波动学说占住了主导地位。
二象性问题 20世纪初，科学家发现了光电效应：一定频率的光照射在某些金属物体表面，能产生电流。鉴于当时（直至现在）对物质构成的理解：金属内充满了自由电子，电子仅仅是带电的粒子。而光是一定波长的电磁波，光照为什么能产生电流？电流是电子的定向运动，（光）波是怎么样驱使电子，使它发生定向运动？光电实验的事实，使光波理论难作解释，经典物理在此又一次遇到困惑。
面对光照产生电流的事实，各种假说应运而生。爱因斯坦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”，光子效法投掷的果核，把自由电子从金属中敲打出来，形成了光电流。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，光电效应的所有理论问题似乎都解决了，又有了光电子方程的佐证。爱因斯坦先生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实质的探究，也带来了迷茫——即二象性问题。
光是什么？“光既是波又是粒子，光有二象性”，写在目前的教科书上。
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与逻辑相悖、难以理解。这既是又是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。
光电实验中的问题 正确的理论应与实验特性全面地相符不悖。爱因斯坦的光电理论除了二象性困惑外，还留下了以下六个问题：
（1）光电子的方向问题： 如果按爱因斯坦所设想的，光电效应中的电子流是在光子的撞击下发生。那么，撞击出的光电子应是顺着入射光子的方向运动。而事实是：产生的光电子却是逆着入射光的方向运动。如（图3A）光由右向左射入，“碰撞”后的电子却由左向右运动，这样的碰撞与自然常理格格不入。
（2）“逸出功”问题：逸出功只不过是一个新名词，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。
逸出功Ａ＝ｈｖ ｈ：普朗克常数。 ｖ：频率。
（3）甚高频率问题：爱因斯坦光电方程中逸出功项显示，逸出功与频率成正比，其解释是：光的频率越高，“光子”的动能越大，光电效应就越易发生。但是，入射光的频率过高，有些物体的光电效应反而减弱甚至停止，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煞费苦心，首先是讲光子碰撞自由电子；（如何碰撞、为何碰撞出的电子逆行？）遇到方向问题就讲能量；（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，根本没有说清楚其间能量是如何传递的。
（6）半导体光电问题：几十年后，人们发明了半导体。光照射在半导体材料硅上能产生较强的电流，人们把这种事实叫做光电现象以区别光电效应，依照这种现象制作出光伏电池。目前最普遍使用的是硅半导体，硅不是金属，没有自由电子，其“光子”碰撞的是什么？如何碰撞？光电现象如何产生？现代的凝聚态物理用另一种理论来解释光电现象。
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。
物质的构成 光电效应是光与物质之间发生的效应，要解释效应，除了要认识光，更要认识矛盾的另一方——物质，认识物质内规律运转的核外电子及其伴生着的电磁波。鉴于爱因斯坦时代（直至现在）对物质构成的理解的肤浅、对物质内的波认识的缺位。所以在之前的文章对物质的构成和运动作出探讨，不妨先来作一些简要的回顾：
首先，由于金属的价电子较少，原子周边存在电子通路，所以导电能力很好，金属物体内没有自由电子。
物质的核外电子是在各自的轨道上绕着原子核有规则地排列、并按一定的速率有规律地运转；金属物质价电子虽然少，但是围绕结构元旋转速率更高。奥斯特实验、汤姆孙实验等多种波、粒同时呈现的实验，告诉我们电子的运动伴生着电磁波。
电子平面旋转伴生的磁场稳定形成了金属体的电磁力；同时，作旋转运动的电子是一种加速运动，能够伴生高频电磁波，这种电磁波不是跃迁时的辐射，而是富集在价电子的外围、在金属的表面，形成了物质内部和表面的电磁波，价和电子的运转速率就是该物质在光电实验时所具有的极限频率。
光电原理 明确了物质结构，明确了物质内规律运转的核外电子及其伴生的电磁波，我们再去看光电效应，前述经典理论的所面临困惑都会迎刃而解，我们就可以心平气和地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。因为金属价和电子规律运转伴生着电磁波。一定频率的光照在该物体上，照射光（电磁波）的频率与金属核外电子运转所伴生的电磁波的频率互相吻合，形成共振，共振之下物质表面部分电子溢出，在电压波的作用下换位移动形成电流，形成了光电效应。
由于自然事物的“度”的普遍特征，光电实验物质的核外电子的速率只能在一定范围内变化。效应发生后，入射光的频率继续升高，达到核外电子活动的最积极、最活跃的频率段，此时光电子的初动能增大。
（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，光电效应将减弱甚至停止。当入射光达到Ｘ光的频率时，形成康普顿效应。这说明，核外电子的速率是在一定范围内规律变化，这种变化是凸峰形的，不是线性的，而光电方程中的溢出功是线性递增的，显然不符合自然事实。
（3）光强特性：光电效应的发生与光强（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，振出的电子在受光表面跳跃，在电压波的作用下沿着电压波方向形成电流。
（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电磁波，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做光电现象，或叫做内光电效应，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。
综上所述，在认识了物质、认识了物质核外电子规律运转所伴生的电磁波之后，光电效应的四大特性反过来证实了物质的核外电子是在一定速率范围内规律运转；证实了电子的运动伴生着电磁波，光电效应是光波与伴生电磁波之间相互作用的结果。整个研讨的思维方式是经典的、前后逻辑是一致的、论证过程是理性的，所有的事实及过程与论证都全面地相符不悖，并能综合解释光电现象，涵盖一个广泛的领域。
2015-5-8
联系客服
