爱华网应用电磁场驱动完整解释光电效应（上）
——献给尊敬的卢鹤绂院士诞辰100周年之作
胡京砾1)胡秀园 2)胡娟秀3)胡纯有4)*
1) 北京启明星辰信息安全技术有限公司，北京
2) 广西电网公司百色供电局,百色
3) 中国农业大学农业生物环境与能源工程,北京
4) 中国电子科技集团公司第三研究所，北京
Email:*h1124@126.com
摘要
依据现有文献，列举了目前难以解释的多峰值选择性光电效应、不同壳层轨道具有不同的逸出功等物理现象。为了解释这些现象，应用经典理论，根据绕原子核旋转电子受电磁场驱动的矢量微分方程的解，以数学语言完整解释了光电效应，解释了目前难以解释的这些现象，并根据方程的解，说明了真空不空、存在电磁场驱动激发逸出的运动电子，还根据方程的能量解导出了爱因斯坦光电效应方程。
[关键词]光电效应；洛伦兹力；涡旋电场力；电磁场驱动；
目录
1..................................................................... . 引言...3
2..........................光量子理论难以解释的光电效应等物理现象...4
2.1.......................爱因斯坦对光量子的困惑包含一场新的革命...4
2.2..........................单峰和多峰值选择性光电效应曲线及γ截至限...5
2.3........................................ 轨道选择性光电效应...8
2.4.....................................原子核外不同壳层轨道具有不同的逸出功...9
2.5................超强激光在空气中传输出现频谱展宽的连续光谱和锥角辐射...9
3..................................... 电子受电磁场驱动微分方程及其解...9
4...........................产生光电效应的条件和完整解释光电效应...11
4.1.................................................... 产生光电效应的条件...12
4.1.1................... 产生光电效应的动力学基本方程...12
4.1.2........................... 产生光电效应的能量条件...12
4.1.3........................ 产生光电效应的相位条件...13
4.2.........产生光电效应的暂态物理过程（电磁场1/4周期内）和电子的运动轨迹...14
4.3.................................... ...... 选择性光电效应...16
4.3.1............................... 吸收能量最少的轨道——轨道选择性...16
4.3.2.........................................轨迹趋向无穷的电磁场角频率——频率选择性...17
4.3.3......................................产生光电效应的角频率群——频率多峰值选择性...18
4.3.4...............................................任一频率不同时间点——时间多峰值选择性...18
4.4.......................................... 光电效应γ截至限...19
4.5................................... 抛物线轨道的逃逸速度和逸出功的多值性...20
4.6........................... 双曲线轨道的剩余速度和光电子的初动能...21
4.7........................... 产生光电效应的时间小于5.0035ⅹ10-15秒...22
4.8...................................................... 光电效应无遏止频率...23
4.9........ 物质世界真空不空——存在热辐射电磁场激发逸出的运动电子...23
4.10....................... ........... 自由电子的形成机理...24
4.11............在最大高能级与最小低能级之间连续“跃迁”产生连续光谱...24
4.12..................... 从能量解导出普朗克常量和爱因斯坦光电效应方程...25
5...............................................................................................................结束语...28
应用电磁场驱动完整解释光电效应
——献给尊敬的卢鹤绂院士诞辰100周年之作
今天是尊敬的卢鹤绂院士诞辰100周年，我们怀着无比崇敬的心情纪念他、怀念他、学习他、继承他。“卢鹤绂不可逆方程”、“中国核能之父”、“世界上第一个揭露原子弹秘密的人”，这是中国的自豪和骄傲；“通权达变，灵活运用，学而时习，运用自如。”这是留给我们独特的科研方法；“开天辟地，开创新领域，自然得之。模仿练习，细游旧山河，只能失之。”这是留给我们独特的思想方法；“知而告之，告而实之，仁信也。”这是教育我们做人应有的品德。这些宝贵的遗产，足可指导我们披荆斩棘攻难关，我们要踏着他的足迹，继承他的遗志，以敢把天空戳个洞的大无畏反潮流精神，敢于突破权威，敢于在崎岖不平的山路上不畏艰险地攀爬，奋力去登向光辉的顶点。
正是在卢院士的精神鼓舞下，我们在遍地荆棘、难于上青天的丛山峻岭中探索，本文是我们的初步成果，在此奉献给尊敬的卢院士。
4.引言
1887年，赫兹（H.R.Hertz）用莱顿瓶作放电实验,发现了电磁波，并观察到光电效应的早期征兆。电磁波的发现开创了麦克斯韦(JamesClerk Maxwell)电磁场理论发展应用的新纪元，而光电效应的问世以及后来发现的康普顿效应、戴维孙—革末实验等又使经典理论遇到了前所未有的麻烦、并遭到曲解，120多年过去了，至今还没有文献应用经典理论完整地解释它们。
1905年爱因斯坦(AlbertEinstein)用光量子理论成功地解释了光电效应，使光的粒子性得到了空前的发展。然而，随着科技的进步、更深入研究和新的实验，陆续出现了光量子理论也难以解释的与光学有关的物理现象。例如，碱金属单峰值和铅的多峰值选择性光电效应特性曲线、原子核外不同壳层轨道具有不同逸出功、以及超强激光在空气中传输出现频谱展宽的连续光谱、锥角辐射等，又使光量子理论束手无策，到目前为止，还没有文献应用量子理论完整地进行解释。
1940年世界上第一台电子感应加速器的问世，标志着人类应用电磁场加速电子已经从理论变成了现实，至今还在应用和发展着。其理论和实践表明：运动着的带电粒子在电磁场的变化磁场中一定受到洛伦兹力的驱动作用，同时还一定受到由变化磁场激发产生的涡旋电场的电场力的驱动作用，作者已把运动带电粒子在电磁场中同时受到这两个力的驱动作用简称为电磁场驱动，这是电磁场具有的特殊驱动作用。
众所周知：一切物质由原子组成，原子主要由电子和原子核组成，电子绕核转动。处于光波、热辐射等电磁场中的原子，电子和原子核都一定受到电磁场两个力的驱动作用，电子和原子核的能量和运动轨迹都要被迫发生改变。然而，到目前为止100多年来，很少有文献从电磁场驱动这个角度研究电子和原子核的受迫运动，研究光电效应。在波动学说不能完整解释光电效应的论述中，都没有抓住光波的电磁场本质，没有抓住光波的振幅实质是变化磁场和涡旋电场的强度，是这两个场对电子的驱动，这是电动力驱动，不是机械力驱动。而19世纪末20世纪初那时的解释，把光波理解为机械波一样，以机械波的振幅推动周围媒质作相应运动，来理解光波的振幅推动电子作相应的运动、使电子的运动幅度达到逸出进行解释[1、2]，碰壁失败是必然的。也许是由于当时对麦克斯韦电磁场还非常生疏，才没能抓住电磁场的本质。本文深深吸取前人之鉴，抓住绕原子核旋转电子在光波电磁场中一定受到洛伦兹力和涡旋电场力的驱动作用、即电磁场驱动这一关键之处，详细、完整地解释光电效应，解释了3条用经典理论不能解释的光电效应的实验规律，解释了多峰值选择性光电效应和不同壳层轨道具有不同逸出功等物理现象。因篇幅所限，关于康普顿效应、戴维孙—革末实验，以及量子理论不能解释的超强激光在空气中传输出现频谱展宽的连续光谱、锥角辐射等，则另拟文研究讨论。本文仅作引玉之砖，千虑之一得，希望引起物理学界的共同讨论，推动物理学向前发展。
5.光量子理论难以解释的光电效应等物理现象
4.1.爱因斯坦对光量子的困惑包含一场新的革命
1905年，科学巨星爱因斯坦(AlbertEinstein)将量子力学奠基人普朗克(MaxPlanck)1900年提出的能量子学说应用于光学，大胆假设光线是由一个一个不连续的光量子（现在称为光子）组成，每一个光量子具有的能量，“这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来[1]。”以此为基础创立了光电效应方程，成功地解释了在当时实验条件下发现的光电效应的实验规律。这一成果，十年后得到了国际物理学界的普遍认同和赞誉。然而在对光量子学说的赞扬声中，爱因斯坦是清醒的，直到晚年，1951年12月12日在给老朋友贝索的信中，坦言了自己内心对光量子的困惑和对盲从者的严厉责备：“整整50年的自觉思考没有使我更接近于解答‘光量子是什么’这个问题。的确，现在每一个无赖都相信，他懂得它，可是他在欺骗他自己[2]。”然而，如何看待爱因斯坦这段话中50年来追求真理、追求完美的“自觉思考”以及50来年不懈的奋斗，却常常引起一些人的误解，正如当代著名的数学、理论物理学家罗杰·彭罗斯1997年12月在《爱因斯坦奇迹年》一书的序言中写道:“经常引起另一种表现的悖论：为什么在理解量子现象方面爱因斯坦起初与同时代人相比处于如此领先的优势地位，而在量子论的随后发展中他却落后于他们？确实，当量子论采取在20世纪20年代最终出现的形式时，爱因斯坦甚至从未接受过这种量子论。许多人可能认为，爱因斯坦是受他‘过时的’实在论的观点阻碍，而尤其如玻尔之所以能向前推进则恰恰是因为他否认在分子、原子和基本粒子这样的量子水平上这类东西真正作为‘物理实在’而存在。可是，很清楚，爱因斯坦在1905年能够作出这些根本性的进展，主要取决于坚信在分子和亚分子层次上物理实体的实际存在性。这些重要倾向在本书的五篇论文中显得特别明显。”罗杰·彭罗斯接着写道：“是否真如玻尔的追随者认为的那样，在任何重要的意义上爱因斯坦都犯了深刻的‘错误’？我不认为如此。我自己就坚决地站在爱因斯坦一边，相信亚微观粒子的实在性，相信今天的量子力学基本上是不完备的。我也主张，关于这种实在性的本质的一些关键性见识尚有待发现，这只有通过深刻分析量子论的基本原理和爱因斯坦自己的广义相对论的基本原理间的表现冲突才能最终显现。在我看来，只有掌握了这些知识，并加以适当运用，支配微观世界的量子论定律同支配宏观世界的广义相对论定律之间带有根本性的紧张关系才能得以解决。怎样才能成功地实现,只有时间，而且，我相信，一场新的革命将会作出回答——或许是另一个奇迹年[3]！”这段话指明了爱因斯坦的困惑不是没有道理的，而是包含着“一场新的革命”，并明确指出：“今天的量子力学基本上是不完备的”。
从爱因斯坦坦言困惑又过了60多年，关于光子与电子之间的能量转换，二者之间的能量在极短的一瞬间如何具体地进行转移，这样一个非常关键的问题，至今还是停留在“只能整个地被吸收或产生”上，其发展也只是“部分吸收”、“双光子吸收”、“多光子吸收”等等，还没有文献资料祥细描述“吸收或产生”那一瞬间的暂态物理过程、以及电子吸收光子后的运动轨迹、产生光电效应的运动轨迹等等。随着时间的推移和对光电效应的深入实验和研究，又陆续发现了一些新的困惑，发现了用光量子学说难以解释的单峰值、多峰值选择性光电效应等物理现象。尤其是超短超强激光在空气中传输也出现了光量子学说束手无策的频谱展宽的连续光谱、锥角辐射等物理现象，这不能不引起物理学界的深思。现将这些困惑的物理现象简述如下：
4.2.单峰和多峰值选择性光电效应曲线及γ截至限
爱因斯坦光电效应方程是直线方程，与实验发现的单峰和多峰值曲线及γ截至限是完全不一致的、不相适应的，是光量子理论无法解释的。请看以下的例子：
（１）、刘元震等编著《电子发射与光电阴极》一书中指出了在碱金属和极少数逸出功大的金属（如钡、钼、镍、钨等）中发现了光电效应存在选择性峰值[4]（见图1）。图中单峰值曲线明显不同于线性曲线，尤其是铯、铷、钾的曲线在波长缩短的方向有形成另一峰的趋势，其中钾最为明显。对选择性光电效应产生的原因，书中作了如下论述：“在一定频率范围内，金属中吸收了光量子能量后激发到真空能级以上的自由电子数目随着频率的增高而增大，而自由电子吸收光量子的概率在频率较高时将随着频率的增高而减少，这两个因素共同作用，造成了在某频率时光电子发射的峰值。”仔细分析这段话，对单峰曲线也缺乏说服力，然而对多峰值曲线，就更缺乏说服力了。
图1几种碱金属的选择性光谱特性曲线
（２）、袁铮等《金阴极的选择性光电效应》论文中测出了非碱金属、且在空气中十分稳定的Au阴极在200～340nm（3.66～6.22eV）紫外波段与线性单调递增有突出偏离的单峰选择性光谱响应特性曲线（图2），由图可知，“Au阴极光谱响应并不是单调递增，而是在5.72eV处呈现一个峰值，光子能量大于5.72eV时，光谱响应迅速衰减[5]。”由于袁铮等的实验光源频带窄,没能测出多峰值选择性光电效应曲线，但这单峰值曲线明显不同于线性曲线。
图2 Au阴极的单峰选择性光谱响应特性曲线
（３）、丁富荣等编著的《辐射物理》一书在讨论光电效应的段落中提供了两幅图，明显显示出多峰值选择性光电效应曲线（图3），不过书中是以多吸收限的文字表述的。众所周知，吸收能量是产生光电效应的前提条件，不吸收光能就不会产生光电效应。因此，吸收能量的峰值隐含着光电效应的峰值。书中指出：光电截面随光子能量的增加而减小，并非线性增加。图3(b)“给出了铅的光电截面在L吸收限附近的变化情况。铅中K壳层的吸收限为88.3keV，而L、M层电子能级存在子壳层结构，各子壳层能级稍有差异，因而光电截面在L吸收限和M吸收限附近存在着精细结构。例如。铅的L层有三个吸收限：L3吸收限为13.06keV，L2吸收限为15.26keV，L1吸收限为15.91keV[6]。”察图可知，这种尖锐突变的吸收限是的峰值点，隐含的是光电效应的峰值点。图中的三个吸收限有可能形成选择性光电效应曲线的三个峰值点，“在L吸收限和M吸收限附近存在着精细结构”则可能是精细的更多的峰值结构。
关于γ截至点，图3(a) “显示了在几种不同吸收物质中的光电截面与γ光子能量的关系。随光子能量 的增大而减少，随靶物质Z的增加而增大。当光子能量时，光电截面随 的变化出现特征性的突变，这种尖锐的突变点称为吸收限[7]。”从图3(b)上还可以看出当光子能量时，出现了光电截面的截止点，也就是光电效应的截止点，本文将其称之为γ截至限。按照爱因斯坦线性关系，怎么能出现γ截至限？
图3光电截面γ截止限和多峰值选择性光电效应
（４）、徐克尊等主编的《近代物理学》一书中提供了“铅的吸收系数与入射光子能量关系”图（图4），由图可见，“有明显的吸收峰，称为吸收边，图上有K吸收边、L吸收边、M吸收边对应于不同壳层的吸收。…L吸收边又精细地分为三个：LⅠ，LⅡ和LⅢ；M吸收边分为5个[8]。”这种多峰吸收有可能形成多峰值选择性光电效应，图中还可以看出γ截至限。
图4铅的多峰值选择性光电效应和γ截至限
（５）、黄昆著《固体物理学》[9]第九章“固体中的光吸收”中“激子光吸收”一节提供了“Cu2O的激子吸收光谱”也显示出多峰吸收现象（图5）。
图577K下Cu2O的激子多峰吸收谱线
以上例子可以说明光电效应具有单峰和多峰值选择性特性及γ截至限，这用光量子学说是难以解释的。
4.3.轨道选择性光电效应
从图3b和图4还可以看出：L壳层轨道的3个峰明显高于K壳层的峰，而M壳层的5个峰明显高于L壳层。这说明光电效应对轨道也具有选择性，对某一个壳层轨道吸收光波能量最少。这种对轨道具有选择性光电效应的现象还没有找到有关文献提出过，用光量子学说也是难以解释的，但物理学必须要直面这种实验事实。
4.4.原子核外不同壳层轨道具有不同的逸出功
从图3b和图4还可以看出：L壳层轨道的3个峰、K壳层的峰、M壳层的5个峰分别具有不同的能量值，如果把各壳层的精细结构测出来，这不同的能量值还会更多。这不同的值表示具有不同的逸出功，这就意味着同一种物质不是只有单值一种逸出功，而是具有多值多种逸出功，不同的壳层轨道分别具有不同的逸出功。这种物质逸出功的多值特性也没有找到有关文献提出过，用光量子学说亦然难以解释，但物理学也必须要直面这种实验事实。
4.5.超强激光在空气中传输出现频谱展宽的连续光谱和锥角辐射
飞秒强激光在空气中的传输，出现了细丝等离子通道、超连续谱（Supercontinuum）和白光激光（Whitelight laser）、锥角辐射（图6）等很多复杂的物理现象，引起了各国科学家们的高度重视。尤其锥状辐射“光环的排列是长波在内，短波在外，与正常的衍射的排列顺序刚好相反[10]。”而且“辐射光小于激光中心波长[10]”等。对这些现象，目前还没有找到用光量子学说进行解释的文献。
图6激光在空气中传输产生的锥角辐射
然而，面对以上多峰值选择性光电效应(或多峰吸收)和γ截至限、轨道选择性、多值逸出功，很需要当今物理学作出园满的理论解释。（上）
卢鹤紱百年纪念（21）上学术动态
学术动态 № 100289082014-05-11p.25766-25718
北京相对论研究联谊会学术委员会张志杰纪念室主办主编吴水清
