可变系时空多线矢物理学 (接 黑体辐射)

6.光电效应Photoelectric effect

    实际上，光电效应就是：电子从相应的原子或分子的某高能级跃迁到能量差别相当大的低能级，而辐射的相应能量足够大的光子，作用于有相应能级差的金属表面的相应原子或分子，使其中跃迁的，具有相应能量的电子不仅能够脱离该原子或分子，而且能脱离该金属表面，逃出金属之外，的现象、效应。

   但是，对此效应的发现和解释却是经历了从十九世纪40年代至今的漫长岁月，至今仍有诸多国际流行的权威错误观点，必须彻底纠正：

1839年，年仅十九岁的亚历山大·贝克勒尔（Alexandre Becquerel），在协助父亲研究将光波照射到电解池（electrolytic cell）所产生的效应时，发现了光生伏特效应。

实际上，已表明：光激发的带电粒子，甚至可以使电解池间造成电位差。

1873年，威勒毕·史密斯（Willoughby Smith）在进行与水下电缆相关的一项任务，测试硒圆柱高电阻性质时，发现其具有光电导性，即照射光束于硒圆柱会促使其电导增加。

实际上，已表明：光子激发的带电粒子，会促使硒圆柱增加其电导。

1887年，德国物理学者海因里希·赫兹采用发射器里的火花间隙（spark gap），造成火花来生成与发射电磁波。做实验观察到每当线圈侦测到电磁波，火花间隙就会出现火花。

实际上，已表明：大量带电粒子在不同能级间跃迁，形成的电磁波，与相应辐射的光，有密切的相关性

由于火花不很明亮，为了更容易观察到火花，他将整个接收器置入一个不透明的盒子内，注意到最大火花长度因此减小，为了理清原因，他将盒子分别部分地拆掉，发现位于接收器火花与发射器火花之间的不透明板或玻璃，都造成屏蔽现象，而石英则不会。

 经过用石英棱镜按照波长将光波分解，仔细分析每个波长的光波所表现出的屏蔽行为，他发现是紫外线造成了这种光电效应。

他没有对该效应做进一步的研究，而将这些实验结果发表于《物理年鉴》。

实际上，已表明：。发射器里的火花间隙产生的火花(光子)导致电磁波的，是能量较大，的紫外线(光子)，造成的。

这个发现立刻引起了物理学者们的好奇心，其中包括威廉·霍尔伐克士（Wilhelm Hallwachs）、奥古斯图·里吉（Augusto Righi）、亚历山大·史托勒托夫（Aleksandr Stoletov）等等。

他们进行了一系列关于光波，特别是紫外线，对于带电物体所产生效应的研究调查。

这些研究调查证实，刚刚清洁干净的锌金属表面，若带有负电荷，不论数量有多少，当被紫外线照射时，会快速地失去这负电荷；若电中性的锌金属被紫外线照射，则会很快地变为带有正电荷，而电子会逃逸到金属周围的气体中，若吹拂强风于金属，则可以大幅度增加带有的正电荷数量。

实际上，已表明：能量较大紫外线的，光，能使带负电的粒子逃出相应金属表面之外。

1897年，约瑟夫·汤姆孙通过观察在克鲁克斯管里的阴极射线所造成的萤光辐照度，发现阴极射线在空气中透射的能力远超一般原子尺寸的粒子。因此，他主张阴极射线是由带负电荷的粒子组成，进而，通过观察阴极射线因电磁场作用而产生的偏转，他测得了阴极射线粒子的荷质比7.8×10emu/g。

1899年，他用紫外线照射锌金属，又测得发射粒子的荷质比为7.3×10emu/g，与前者大致符合，而正确推断它们是同一种粒子，即电子，还测出它的负电荷 ，并由此成功计算出电子的质量：约为氢离子质量的千分之一。

电子是当时所知质量最小的粒子。后来，还知道电子是构成原子、分子的外层粒子。

约翰·艾斯特（Johann elster）和汉斯·盖特尔（Hans Geitel），首先发展出第一个实用的光电真空管，能够用来量度辐照度。

这种把某种金属片作为阴极封闭于石英真空管内，的可调电路系统，并用不同频率的光照射管内的金属片，就可研究各种频率，对各种金属的光电效应，还可在管内充以各种气体或电解液，研究它们的光电效应，以及相应的各种实际应用。

艾斯特和盖特尔将其用于研究光波照射到带电物体产生的效应，普通光波造成的光电效应很小，无法测量到任何效应。紫外线光波，获得了各种金属依光电效应放电能力从大到小顺序排列：铷、钾、钠钾合金、钠、锂、镁、铊、锌。对于铜、铂、铅、铁、镉、碳、汞，其排序与亚历山德罗·伏打由电化学的排列相同，越具正电性的金属给出的光电效应越大。

仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长λ0叫做极限波长。不同物质的极限频率和相应的极限波长λ0 是不同的。

一些金属的极限波长(单位：埃)：

“赫兹效应”的各种实验还伴随着“光电效应逐渐衰微”的所谓“光电疲劳”的现象，让研究变得更加复杂。根据霍尔伐克士的研究结果，在这现象里，臭氧扮演了很重要的角色，其它例如氧化、湿度、抛光模式等等，因素，也都必须考虑。

1888至1891年间，史托勒托夫设计出一套特别适合于定量分析光电效应实验装置，完成了很多实验结果，还和里吉还共同研究了光电流与气压之间的关系，发现气压越低，光电流变越大，直到最优气压为止；低于这最优气压，则气压越低，光电流变越小。

1900年，匈牙利物理学家菲利普·莱纳德发现紫外线会促使气体发生电离作用。由于这效应广泛发生于好几厘米宽区域的空气，并且制造出很多大颗的正离子与小颗的负离子，这现象很自然地被诠释为气体或液体中发生光电效应。

1902年，莱纳德又发布了几个关于光电效应的重要实验结果。第一，变化紫外光源与阴极之间的距离，从阴极发射的光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比。第二，不同物质的阴极，所发射出的光电子都有其特定的最大动能（最大速度）第三，调整阴极与阳极之间的电压差，光电子的最大动能与截止电压成正比，与辐照度无关。

由于光电子的最大速度与辐照度无关，莱纳德认为，光波并没有给予这些电子任何能量，这些电子本来就已拥有这能量，光波只是一触即发地选择释出束缚于原子里的电子，这就是莱纳德著名的“触发假说”（triggering hypothesis）。在那时期，学术界广泛接受触发假说为光电效应的机制，可是，将阴极加热并没有测量到按此机制应该会有更大的动能。

实际上，光电子的动能，是因为该金属表面有与相应能量的光子相同能级差的2个能级的原子或分子，吸收该光子，而使低能级的电子得到相当于跃迁到相应的高能级的动能，因而，光电子的动能=该光子的能量。

1905年，爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，根据马克斯·普朗克先前在研究黑体辐射中所提出的“量子”观点，他将光束描述为一群离散的量子，而不是连续性波动，现称为光子，其能量为E=hf ；h因子是普朗克常数。f为光子的频率。若光子的频率等于或大于某极限频率，则这光子能量等于或大于某个与金属相关的能量阈值（称为这种金属的逸出功），足够能量使得一个电子逃逸，造成光电效应。爱因斯坦的论述解释了为什么光电子的能量只与频率有关，而与辐照度无关。

爱因斯坦的发现开启了量子物理的大门，爱因斯坦因为“对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现”荣获1921年诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦的论文很快地引起美国物理学者罗伯特·密立根的注意，但他也不赞同爱因斯坦的理论。之后十年，他花费很多时间做实验研究光电效应。他发现，增加阴极的温度，光电子最大能量不会跟着增加。他又证实光电疲劳现象是因氧化作用所产生的杂质造成，假若能够将清洁干净的阴极保存于高真空内，就不会出现这种现象了。1916年，他证实了爱因斯坦的理论正确无误，并且应用光电效应直接计算出普朗克常数。密立根因为“关于基本电荷以及光电效应的工作”获颁1923年诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦的这论点，但却遭遇到当时学术界的强烈抗拒，认为：它与詹姆斯·麦克斯韦所表述，而且经过严格理论检验、通过精密实验证明的光的波动理论相互矛盾，它无法解释光波的折射性与相干性，更一般而言，它与物理系统的能量“无穷可分性假说”相互矛盾。甚至在实验证实爱因斯坦的光电效应方程正确无误之后，强烈抗拒仍旧延续多年。

1969年，威利斯·兰姆与马兰·斯考立（Marlan Scully）根据波粒二象性，也可以用波动概念，来分析、证明“光电效应”这理论。

由于，光的干涉、绕射，只能解释为“波”的特性，而且，电子、中子，等，也可有干涉、绕射。

特别是，德布罗意波，能表达、反映，“无论是静止质量不为0，速度的3维空间分量小于光速，c，的各基本粒子，或静止质量=0，速度的3维空间分量=c，的光子，的大量粒子的动能”。

因而，使得国际流行观点误认为：一切个别粒子也都是“波”，并以此作为 “量子 ”的基本特性。

实际上，任何个别的粒子都没有波的特性，任何波都不能形成稳定的粒子。只是大量粒子的集体表现（例如：静止质量不=0粒子中的，电中性粒子的震荡波，带电粒子的电磁波）或时空统计结果（例如：静止质量不=0的各种粒子，和静止质量=0的光子、声子，时空统计的几率分布）才是“波”。

而且，微弱光束的干涉、衍射的条纹、图形都是由各光子几率位置的各个点逐次累积形成的，也具体说明，干涉、衍射 也是大量粒子逐次累积造成的。

因此，通常认为：个别粒子有所谓“波、粒2象性”，就是错误的概念。

当然，不能用“波粒二象性”解决对“光子的质疑”。

其实，麦克斯韦方程组，正是可由带电粒子，的电磁势矢量的时空旋度，表达的电、磁场强度，及其与时空速度，时空叉、点乘，表达的电、磁力，演绎推导得出的关系式。

麦克斯韦方程组中各物理量的连续性，与带电粒子的离散型，是相辅相成，并不矛盾啊！

类似地，对于电中性粒子， 4维时空6维自旋力[3线矢]和4维时空6维自旋力[1线矢]，4维时空矢算的微分形式，就也可得到类似于麦克斯韦方程组的方程组，就也有相应问题的解决。

光波是大量光子统计的最可几分布函数，光波在介质界面的折射是各光子在不同介质速度不同所致，光波的相干性是大量光子按相应几率逐次累积形成的，都正是大量粒子的统计表现，怎么会与光的粒子性矛盾呢？！

对于声波，就也有相应类似问题的解决。

对于强、弱的，自旋力和电磁力，f(3强自旋)[(22,22),1线矢]、f(3强电磁)[(22,22),1线矢]、f(3弱自旋)[(22,22).1线矢]、f(3弱电磁)[(22,22).1线矢]，也有相应类似问题的解决。