空间的介质问题之四
                                              ——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(中)

(光的粒子性)

志勰

本文的内容很庞杂,当然,这是解释光的粒子性的需要,同时本文也有很多的重要结论。以及检验光的属性的方法。

在处理内容上:从物质运动变化的角度去处理光的粒子性及其相关的问题,如:粒子性的属性分析(可应用于基本粒子)、光和电子的作用等,同时对传统物理学中关于光的粒子性的不合理的地方也提出质疑。主要从两个试验的角度,一个是光电效应,另一个则是康普顿效应。

在对电子的变速运动过程的分析中,得出了空间作用违反牛顿第二运动定律。

从光和原子作用的角度出发,存在新的规律。太阳能的新技术以及对物质属性判断是本文的直接结果。对此请看相关的文章。


电磁波和光的属性

三、光物质作为粒子性的疑点

      1、粒子性对于科学的意义

     20世纪初,光的粒子属性由重新回到了物理学中,通常认为,这得自于两个试验现象。

     一个实验现象1905年的光电效应,可以认为是关于光的粒子本性由于实验现象而诞生,通过这个实验现象,爱因斯坦先生将光的量子化的概念进一步引入到实用性的阶段,通过爱因斯坦的质能方程,物理学进入到描述微观个体间的作用的理论阶段。同时,也可以认为采用数理关系去描述物质间实际作用的关系进一步加强。我认为可以认为能量守恒定律的建立是开端。

     另一个实验现象是1922-1923年的康普顿散射,可以认为是关于光的粒子本性的进一步验证,可以认为通过这一实验,提供了作为波动性的光子和物质作用的理论基础。在这之后(1923年),法国物理学家德布罗意将光的波粒两像性扩展到所有的物质领域。从此,在哲学上,物质的概念和属性发生了根本的变化,从这里开始,哲学家和物理学家所谈论的物质范畴和概念彻底分离开来。在物质的哲学属性上,代之的是以物理学家为主体的物理哲学家。哲学家退出了关于物质概念和属性的舞台。物质的存在在哲学上进入一种朦胧的状态,这得自于1905年爱因斯坦先生发表的质能方程,或者更进一步的说,最初得自于质量和能量的统一。

     在我们探讨这两个试验之前我们先来看一下关于粒子性的特征,因为我们要探讨将光作为粒子性处理的关系。

     2、粒子的常规属性

     关于粒子的属性,我并没有找到关于粒子属性这个问题的专门论述,在这里我们只能通过对粒子的物质运动行为进行分析,得出一种关于粒子属性的结论。

(1)粒子的描述对象

     粒子概念大多出现在技术性的语言中,主要用于描述一个个体的实体,比如三维制作中的粒子,用于描述没有结构的一些点。在物理学中的用法上也有相同之处,我们通常将没有结构的个体叫做粒子。比如:电子、质子、中子、中微子、介子、光子等统称为基本粒子。而具有确定结构的物质微粒我们却很少称呼它们为粒子。比如:原子、分子。

     因此粒子概念在语言概念的应用上,通常是将可以当作没有结构看待的物质个体叫做粒子。

    (2)粒子在作为物质属性特点

     我们浏览一下粒子所描述的对象就会发现,可以称作粒子的东西都具有客观实在性,在这种意义上来说,粒子描述的是一种实体。

     也许大家会提出这样的疑问,在波动学中的声波我们把它的一个个体称作一个声子,这样的概念不是不合理了么?这是客观事实存在的,但是在概念上我们却没有将它当作一个粒子看待,我们只是将一个声波当作一个个体看待。

     关于光子的概念的描述,是因为我们赋予了它实体的概念,比如光电效应和康普顿效应中我们赋予了它和电子作用的弹性碰撞的特点。在这种和物体的运动变化行为上,它和实物粒子的属性是相同的,这是我们赋予它的概念特点。

     因此,粒子的存在是一种实体的存在。

     (3)粒子的描述和运动变化行为

     我们确认粒子是一种实体,那么它必然是一种质的存在。作为一种质的存在必然存在确定的空间大小,存在常规意义上我们所赋予的确定的质量。

     在牛顿力学中,我们所赋予的质点的概念就是具有确定的空间位置、具有确定的速度、确定的动量。这是作为牛顿力学中粒子的特点。但到了量子物理学中,却不能采用这样的描述了,就在于这个波粒两像性的物质属性。

     但是,在量子物理学中对粒子间相互作用模式的处理上,却恰恰采用了牛顿力学中的处理模式。首先通过碰撞来实现粒子间的作用的。在碰撞的过程中,粒子仍然具有确定的空间位置、具有确定的速度、也具有确定的动量,尽管采用宏观统计的方法可以进行合理的解释,但是在处理微观个体的作用上,仍然具有牛顿力学中关于粒子描述的特点,否则,两个质点间根本不会发生相互作用。

     量子物理学中的粒子的波动性只能改变粒子的运动模式,却不能改变粒子间的作用模式。这是采用量子的模式去处理作为个体的两个质点间作用的必然结果。

      3、光子作为粒子和其它粒子作用的必然模式和属性

     (1)粒子作为实物在作用过程中的唯一确定性

     (一)作用过程的唯一确定性

     如果我们确认光子作为一种粒子来说,具有一种实物的属性,那么首先光子具有动量的形式。具有确定的质量,并且在碰撞过程中参与作用,这种作用是光子作为实物的唯一确定性。

     我们不能想象光子在和其它物质(比如电子)的作用过程中处于两难的状态,比如薛定谔猫的实验中所属的量子的某种属性。光子作为一种物质实体不能是既参与和电子的作用同时又不参与和电子的作用。这种作用即便是作为微观粒子来说也是唯一的确定。光子和电子相碰的时候,只有一种可能——作用。

     (二)作用的时刻,光子和电子的空间位置的唯一确定性

     在某一时刻,一个电子和一个光子发生作用,这个电子和这个光子所处于的的位置是唯一的确定。光子不能在某一时刻即在a位置,又在b位置。至于我们不能精确的确定光子和电子的空间位置,那是因为我们的测量手段的问题,而不是存在的事件本身问题。作为物质实体来说,这是唯一的确定。

     (三)如上两点对于物理理论的意义

     作为一种物质实体来说,如果作为物质作用的本身属性,如上两点不能唯一确定或者说处于不确定性,那么,我们将不能对微观物质世界的运动变化进行探讨。不论采用任何手段和形式。

     如果如上两点不能确定,那么量子论中的对光子和物质微观粒子间的作用的所有理论将没有任何的意义。

        (2)粒子占据空间体积的不相融性

     如果我们确认光子作为一种粒0子来说是一种实体,那么首先它必须具有确定的空间体积,这种空间体积必须是一种质的空间体积,并且和通常意义上的真空存在本质的区别。否则,它将不能和其它粒子发生碰撞。这一点也是必须的。如果没有空间体积或者不确定的空间体积,我们将难以想象作为一种不确定质的空间体积如何和其它物体发生作用。

     实际上,我们只有确认光子作为一种确定质的空间体积的存在,才能确定它作用实物的粒子性的存在。它才可以和其它的物质粒子发生碰撞作用。

     那么,这种不确定质的空间体积的存在,必然是粒子所占据的空间和其它的粒子所占据的空间具有不相容性。如果是相容的,那么可以肯定,则不能发生碰撞。在某种意义上来说,这种质的空间体积的微小单元具有力的属性。比如水滴里面的水分子,铁块里面的铁原子承担这种不相容性的质的存在。

     这种确定质的空间体积之间,必然存在一种属性,这就是粒子占据空间体积的不相融性。

     关于光子作为一种物质实体来说,已经经过证实。这个证实就是光电效应和康普顿效应。如果我们确认光子作为一种实物的粒子,那么就必然是作为实物粒子占据空间体积的不相融性。

     (3)如果光子具有粒子的属性,那么必然不能具有波动性

     如果我们确认光子作为一种具有实物属性的粒子,那么透过小孔的一束光实际上将不能发生衍射。这是因为光子作为占据空间粒子不相容的特性来说的。

     一束光的衍射现象,我们通常解释为光的衍射,波峰和波谷相消的结果。但如果光具有实物粒子的属性,那么两个光子是不能叠加在一起的,它们之间可以发生动量碰撞,但却不能两个光粒子占据相同的空间。只要光具有粒子性,那么它便不能具有波动性。

     将电磁波引入到可见光的领域,主要就是因为可见光在干涉、折射、衍射中的反映出的波的属性。但是光子的粒子性使波的独立传播原理不在成立。

     在媒质中每一个波都保持其独立传播的特性,不因其它波的存在而改变。

     那么我们很难想象这样具有粒子性的光子如何具有光的特征。同时具有波动特征的光子如何具有粒子性。

      4、光电效应的解释

     光电效应最早可以追溯到电磁波的验证阶段,1887年赫兹在试验中发现用紫外光照射到他实验中的火花隙的负极上时,有助于放电。但光电效应的真正研究确是采用X射线的时候开始的。

     它是这样一种现象,当光照射到金属表面上时,金属表面有电子溢出的现象。我们通常把它叫做光电效应。关于这个实验我在这里就不详述了,您可以参见任意一套大学物理课本。本文之对实验结果进行可行性的分析。

     光电效应有如下的几个规律:

     第一、光电流和入射光强度的规律

     单位时间内,受光照射的电极上释放出来的电子束与入射光的强度成正比。

     第二、光电子的初动能与入射光频率间的关系

     光电子的最大初动能随入射光的频率v线性地增加,而与入射光的强度无关。当光照射某一金属时,无论光的强度如何,如果入射光的频率小于此金属的红限频率v0,就不会产生光电效应。

     第三、光电效应和时间的关系

     只要光的频率超过红限频率v0,那么,从光开始照射直到金属释放出光电子,其中的时间间隔小于10-9 秒,于光的强度无关。

  如上参见的大学课本《普通物理学讲义》王殖东 阎金铎 李春编  中央广播大学出版社

      通常认为,如上三点导致的光量子概念的诞生,并且采用光量子去解释是必须的。但也不尽然,采用我提出的光与电磁波的理论仍然可以合理的解释这个问题。传统的电磁波理论和我提出的电磁波的理论的不同点在于,传统的电磁波理论只能适用于电流所发出的电磁波,而我提出的电磁波则适用于所有的由电荷参与的电磁波领域。(关于电磁波的理论,你可以参见电磁理论与原子论之三——电磁波,只是手稿,下面我们来讨论这个光电效应问题。

     关于第一点:光电流和入射光强度的规律。是没有争议的,光的波动理论和光的电子理论都可以进行合理解释。

     关于第二点:光电子的最大初动能与入射光频率间的关系。通常认为是将光子进行量子化的必要的条件。并且只有采用光子的量子化的方法才最大初动能的问题进行解释。

     由光电效应产生的光电子依赖于两种情况。一种情况是光的频率,这是传统物理中的看法。另一种情况是原子的状态。我们有必要了解电磁波的频率和电磁波的关系以及原子在光电效应中的状态。

     (1)光的频率和电磁波的关系

     (一)、传统物理对光的电磁属性判断的无效性

     在上篇文章空间的介质问题之三——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(上)(光的波动性))中我们讨论了作为原子或者孤立的电荷所发出的电磁波,采用传统的波动理论——周期和频率是不能对光现象进行合理解释的,传统物理学中所采用的波的根据在这里是无效的。

     传统的电磁理论所依据的现象是导线中的电流所产生的电磁波作为光理论的基础,这是不对的。由原子或者孤立电荷间发出的电磁波和普通的导线中的电磁波的关键区别在于电子本身的运动变化。

     导线中的电子的运动是恒定状态,导线中的电子的运动速度与电流的大小是无关的,电磁波的发射只依赖于电流所产生的磁场的变化率,或者更精确的说,是导线中电流的变化形成的对空间的作用。但是原子的发光依赖于原子中电子的运动变化、孤立电荷的发光依赖于电荷的速度变化,我把它叫做荷速变化率(所有的电荷具有相同的电量)。电磁波的原理是绝对不同的。

     依据导线中电磁波的属性和特点而用于原子现象这是没有任何道理的。因此不能采用传统的波动学去判断光电效应的光子的属性。至少不能采用周期和频率的概念去对光的属性和行为进行判断。采用传统的电磁波的属性对光去进行解释是失败的必然结果。我们实验中所观测到的频率是另一种作用形式,而不是波动学中具有确定周期的频率物理意义。

     很显然,传统物理学所建立的量子理论关于光的电磁本性是依据传统麦克斯韦电磁理论对原子发光进行解释的,传统的解释和客观事实是不符的。

     (二)、光子的两种定义

     产生光子的模式

       不论我们采用任何一种解释的方法,我们首先来探讨一下光的作用属性是很有必要的。光和产生它的物质的运动形式有着确定的关系,探讨光的属性这是必不可少的一个方面。

     传统物理学中光子的量子化的方法我们不能从产生光子的过程中、光子和外界物质的作用过程中得到光子属性定义的模式。但传统物理学中将光子的能量表达成hv,并且建立成

mkerxmlshy-gdlzx-3.gif (1068 字节)(爱因斯坦光电效应方程)

关系,可见传统物理学中将光子的能量和普通物体的动能看作相同的形式了。并且在定义体系上看作是相同的量。传统物理中关于光子能量的定义与光子的物质运动形式、和物质作用形式无关,我想这只能算是一种算符的形式。

     下面我们看一看光子的可能形式。

mkerxmlshy-gdlzx-1.gif (1288 字节)      首先原子发出的可见光是一种脉动电磁波,这种结论是由于电子在原子中的变速运动而发射的光在电子的运动形式上只有一种。(可参见电磁理论与原子论中的原子论,这里就不在祥述了)。      如左图:

    原子由于受到其它的作用,可能是其它光子的作用(如X射线),也可能是大量电子(如电流)的运动而形成的强烈的作用,或者高速运动原子的碰撞等,使原子中的电子受到作用而到达原子的内层(或者电子在原子中的存在状态发生改变),由于原子的斥力作用(不是唯一的,高能量的射线也可能直接导致这种情况)而产生加速运动,同时产生某种作用,并向原子外层传递,我们通常把它叫做电磁波或者光子。

     光子的产生以及外界的作用都可以化归到作用的模式,将光子看作作用的本身是没有超出形成光子、光子和物质的作用的物质运动变化模式。

    两种光子能量模式定义的区别

     在原子论(个人观点)中,有一个结论,原子发出的光子(电磁波),电子初加速度为零时的加速过程中,原子中电子所发出的光子的频率同电子受到的作用成正比,我想可以看作同电子受到的作用力成正比,而达到一定速度后再进行加速度,如一条谱线系的紫端,它的频率也会很高的,这时的加速度不是很大。这有两种原因,一种原因是由原子的结构造成的,另一种是我们所采用的定义体系。或者测量到的这种数据,因为我们依据的是原有波动学的定义结构,这和物质本身的运动是存在区别的。波长和频率的判别方法是否是这样。这是需要考虑的问题。两种能量定义体系之间是否存在很大的区别。或者需要重新考察一种新的关于波的能量定义体系。

     这种定义的区别在于,传统物理中的光子能量的模式是采用动能的定义,而我提出的这种关于光子的定义却是采用动量的形式。两者的物理关系是不同的,采用实验的方法而得出的频率和能量的关系,(或者频率和光电子动能的关系)。采用这种方式,也要注意这种定义体系。定义体系的不同,结论也自然不同。采用实验证实,需要注意。

       (三)频率的属性

     第一、频率的概念本身的意义

     传统物理学中采用的频率的概念除了通常关于波的单位时间周期性的概念之外,主要应用于光子间的区别。最常见的现象是光的色散,最初是1672年牛顿发现的太阳光通过三棱镜的色散。

     实验现象是将一束太阳光(复合光)通过三棱镜之后,会形成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。传统的解释是不同的太阳光通过棱镜后,不同波长的色光有不同的偏向角。

     在实验事实上来说,我们不能测到真正的波长和震动周期的频率,只能是根据波的理论而得出的不同颜色的光在波的理论中的波长和频率的对应。但波的理论只是我们认为对太阳光的可能性的解释,在这种意义上来说,在波的理论上,只能是一种经验事实的约定。即:我们假定确定的可见光的波长对应我们观测到的光的一种颜色,并且,仅仅是建立在现象之上的两种约定。这样的结论和假设是没有区别的。更精确的说,是一种假设。

  第二频率的可能性的解释

     传统的物理学中我们所观测到的可见光的频率所定义的光的颜色,采用波动学中的波长和频率不是唯一的一种解释,但这必须有一个前提,不能采用传统物理学中波动学的概念。

     为了解释光的可能性的真实本身,我们必须放弃掉传统物理学中的波动的概念。因为我们根据原子发光的物质运动变化过程和传统物理学中所赋予的光的波动的本性,已经可以判断传统的波动学对可见光的解释是错误的,必须寻求一种新的解释。

     依据原子发光过程,可以归结为两种可能性的模式。一种是原子中电子的变速运动过程,另一种则是电子和原子对外作用的和效果。(在这样判断过程中,已经抛弃了传统的原子轨道的解释,因为没有任何的理由假设电子在原子中运动的规则性,在普通的物质中,原子无时不刻的在和其它的原子发生着作用,假设原子存在这样的规则没有任何理由而言。同时原子以原子核为核心说明库仑定律在微观领域失效,这里仅将原子核和核外电子间的存在依赖于电子和原子核间的作用)但不论如上那一种发光模式,原子在发光过程中所存在的运动变化状态(包括电子的运动状态)看作原子发光过程的物理原因是合适的。在这种广义的意义上来说,传统的原理理论也仍然包括在内,但不同的是处理发光原理过程中的两种原则。传统物理学所建立的是量子化的规则,我在这里提倡的是电子和原子核之间的作用以及电子在变速过程中的属性,通过空间介质的本身,无疑是唯一合理的解释方法。

     我在这里提一种频率解释的可能性的模式,根据电子的加速运动得出的一种模式。这种解释应用于加速辐射是最合适的,比如同步辐射。如图:

     图中所画的是一个电子的加速过程中的两个相邻时刻。这个图的上半部分标明的是电子的两个相邻时刻在不同的空间点对外界的作用。下半部分标明的是电子所在的空间坐标。不同的是采用的空间距离单位是采用的某一时刻所在的位置,这样设定仅为了便于说明问题。t1、t2、t3、t4、t5作为空间距离不是均匀的。这里需要注意,但作为时间间隔确是均匀的。

    另一方面,电子发光的加速过程都很短,距离也非常微小。这里为了便于说明这种作用模式,将这种时间间隔延长。或者您将图中所标示的整个过程当作一个电子的加速过程。这个时间是非常短暂的。

mkerxmlshy-gdlzx-2.gif (2871 字节)

 

    当电子以一个确定的加速度运动时,在t1时刻,电子对外界空间的作用是一种确定的分布状态,这个确定的分布状态给与外界的空间一个确定的作用。

     在这里我们假设t1和t2的时间间隔为一个时间单位,比如1秒吧。(为了便于描述)当电子在t1的时刻,电子对外作用是t1的状态,经过一个单位时间后,电子所处于的空间位置为t2的位置,同时在t2时刻所在的空间位置完成t2作用状态的分布,由于电子是运动的,那么电子由t1状态到t2状态,电子对空间的作用可以看作是一种连续的在空间中的一种作用传递。

     在如上的过程中,电子对空间作用的分布状态是由电子从t1时刻到t2时刻所占据的空间位置点形成的电力线的重新分布过程决定,这个分布过程是连续的,并且,电子所形成的这种空间作用的传递速度要远大于电子的运动速度,通常我们认为是光速。那么电子对另一个电荷的作用则依赖于电子的运动变化过程。这样便有如下的几个结论:

     第一、不论有多少个电子参与这种加速度过程,那么它们所给与另一个电荷的作用并且使这个电荷由于它们的作用并产生变速运动,那么电荷的变速运动不能大于电子变速运动。或者说电荷产生的加速度不能大于电子的加速度。

     第二、在电子的变速运动(在这里假设电子的变速运动是恒定的)并给与另一个电荷作用过程中,电荷受到的作用力同变速电子的数量成正比。

     第三、如果变速运动的电子和电荷相距非常遥远,那么一个电子的加速运动,将不能使另一个电荷发生相同的变速运动,或者不能对另一个电荷产生可观测的作用。

     第四、如果电荷的质量远大于电子的质量(如质子),那么一个电子的作用将不能使电荷产生相同的加速度,除非多个电子同时进行的加速运动并给与这个电荷的作用。

     第五、由于加速运动过程具有方向,那么加速运动的电子给与电荷的作用也具有方向性。同时,空间传递作用的本身也具有方向性。

     第六、我必须在这里说明一下,采用如上的方法去解释光产生的模式,从传统理论中来看还存在一些问题。我想这可以看作传统物理学实证的范围不能满足于空间介质的作用,以葫芦画瓢的做法是不对的。

     比如:光电效应的红限频率和第二点存在冲突。如果很多光子同时都作用在一个核外电子上,那么这个核外电子所受到的作用力一定很大,但却不能突破传统物理学中对电子束搏状态的势垒状态。这只能归结到电子和原子核间的作用上。从原理上来看,电子的质量很微小,这和电的作用比起来是微不足道的,电子和原子核之间则主要是电的作用。电子仅提供一个力点,并且这个力点的质量可以近似当作零看待,或者说忽略不记。这样,作用则是主要的模式了。

     再比如:第一点和第二点发生矛盾。一个电子受到电磁波这种空间作用力,当大量的相同频率光子同时作用在一个自由电子上时,不论它获得多大的作用力,它所获得的加速度,不能大于产生这种频率的光子的电子本身的加速度。这一点必须放弃牛顿力学中的牛顿第二运动定律。牛顿第二运动定律依赖于两个实体间的作用。然而这里却是空间介质间的作用。在采用物理的方法对这个问题的处理上,还需要空间介质的属性。当然这样的说法不是指传统的数理的解释。

     在这里,牛顿的第二运动定律将是失效的。请注意,这种违反是在电子作为一个质点的变速运动过程中(并且电子的质量可以看作是略而不计的,质量加速度所产生的作用力和电的作用相比太微小,可以略而不计),不包括导线中电流引起的空间作用(电磁波)。

 

     电子随时间对空间作用的分布状态的传递对应于传统物理学中的频率的概念。下面我们来看一看相关的问题:

     第一、观测到光的条件

     如果我们可以观测到光的存在,那么不论是通过我们眼睛还是通过仪器。这样的光已经是足够形成对观测物体形成足够的作用。首要的第一点是光可以产生对我们所采用的感觉材料的作用。这个作用通常是通过感觉材料的物理属性发生变化。如果是视觉感觉光的存在,那么光必然可以导致眼睛中的物质发生生化反应,否则我们将不能发现光的存在。如果是通过光测仪器,比如光电倍增管(用于测量微量的光),那么,我们所观测到的光必然可以使光电倍增管中的一个电子发生运动变化,否则我们不能确定光的存在。

     在某种意义上,我们所感觉到光的存在,依赖于我们所采用的观测手段。

     从我们对物质世界感觉的角度出发,光的存在依赖于我们的感觉。

     第二、采用电荷的加速度作为电子发出的光对外作用标示的原因

     因为在宇宙中存在惯性参照系的缘故,我们可以从电子的加速过程中任取一点的速度为惯性参照系,相对于此惯性参照系中的物体的运动状态和电子在这一点的存在状态是等效的, 这对于描述多个惯性参照系中的物体的运动状态是不方便的。

     这得自于任意惯性参照系中发出的光可以同所有惯性参照系中的物体发生作用。

    第三、对于光的问题,应该建立一种相对力学

     记得以前在论坛中就弹性碰撞的问题曾提到过采用相对力学去处理物质的运动状态是方便的,当然那时是对于弹性碰撞的求解是成功的而做的一种大胆的外推。现在想来,建立一种相对力学是不勉强也不过分的。

     关于相对力学的构思是这样的。在求解物质的运动变化过程中,不去采用经典牛顿力学中的质点的空间坐标去求解,而只求解物体的存在状态。在涉及到空间的介质问题时,采用空间坐标的方法是行不通的,比如我们提到的电子的变速运动所形成的光的作用。我们只能去根据光所给与物质的作用,原则上来说,比如根据光频率的特点,针对于一种惯性参照系,确定发射光子的电子的运动变化状态,而不能确定这一电子所处于那一种惯性参照系。

     实际上,在宇宙中我们除了确定物体的运动状态之外,并不能确定物体绝对的坐标,至少到目前为止是这样。那么,建立一种相对力学对于描述宇宙中的物质运动变化而言是合适的且方便的。

     传统物理学中已经存在这样的求解思路,这个求解思路截止到目前还仅是一种辅助的手段,并限于对普通物体或者宏观物体求解,就是动量守恒定律,当然,这已经包含在牛顿力学中了。但在求解问题的思路和方法上还没有独立出来,并作为一种对物质运动变化系统的求解方法。对于宏观的描述,普通学科中的描述已经足够了,这样的方法并没有实用的价值和意义。但是,在涉及到空间介质的问题时,或者仅描述物体的存在状态,比如对于光的相互作用体的描述。那么这样的描述体系则是必须的了。

    第四、关于光的属性问题

     微观物质世界的复杂化,我们不能找到一种统一物质运动变化的模式来满足所有光的属性和特点,因此,指定光是那一种物质运动变化并找到合理的物理解释是一个长时间的过程,这一过程会随着人们对微观物质的认识的进一步深入而逐渐结束。但所有的光都具有这样的特点。光是一种空间介质对作用的传递。

      (四)、传统的光的粒子性和采用新的光的属性,对光电效应的解释

     光电效应的发生依赖于金属原子和光子,一个是作用体,另一个是被作用体。在光电效应中,我们只强调一种物质的属性是不够的,我们还要看金属原子的状态。那么,下面我们先来看看原子的存在状态。

     第一、光电效应中原子的状态

     物质的存在都是意义中确定的温度的形式存在,那么进行光电效应的原子也不例外,也存在确定的温度。这种确定的温度状态使原子的状态处在一种无序的运动过程中,这种运动依赖于原子间的作用和外界对原子的作用,如原子本身的振动、光照射物体等。

     如图:

mkerxmlshy-gdlzx-4.gif (4296 字节)

     图中白色的小球是核外电子,黑色的小球是原子核。图中所画的是一对相邻的固体原子的热运动的一次作用。每一个原子都在一个平衡位置在做这种无序的震动。如图:

mkerxmlshy-gdlzx-5.gif (1137 字节)

     在机械运动中(参见机械运动的能量体系),我得出的结论是原子的震动速度同温度成正比。

     第二、光电效应中的争议

     在采用光的波动性和光的粒子性对光的解释中,第一点是没有争议的。那么在采用本文中所述的光子属性和光的粒子性两种解释呢?

     根据电子对另一个电荷的作用则依赖于电子的运动变化过程的几个结论,可以得到如下的结论:

     第一、光电流和入射光强度的规律——单位时间内,受光照射的电极上释放出来的电子束与入射光的强度成正比。

     是存在争议的,到目前为止,这一点的争议采用本文所述的方法,不能对这个问题很合理的解决,主要是没有找到有效的简单作用模式。但是,光的粒子性也不能对这个问题进行合理的解决,这是因为光采用粒子性的方法不是纯粹的粒子性,它还具有波动性的特点,比如光子的叠加的问题,就象上篇文章中我们所述的一样,光子的叠加会使波峰和波谷的作用抵消,光子对物质的作用将等于零,那么当然也不会出现采用粒子性的合理解释了。传统物理学中的结论是光照强度越大,光子叠加的可能性就越大,那么传统物理学观念成立的可能性就越渺茫。

     在这个问题上,我想这并不妨碍本文中所述的方法的合理性,同时,还有新的结论。原因如下:

     如果光子看作电子的变速运动过程所至,那么电子的变速运动过程会形成电子对空间作用的传递,这种传递是均匀的在空间中传递。如果我们确定一个光子依赖于一个电子的变速运动过程,那么一个光子和金属中一个原子作用的时间是很短的。短暂的一个光子和一个原子的作用并不仅仅限于原子的一个电子,而是整个的原子,并且和这个原子中所有的电子同时发生作用。考虑到大量的光子和金属原子的作用,那么光子给与原子的作用将是连续的,而不是分立的一个一个的光子同原子的断续的作用。

     在不同光照强度的情况下,这就不容易对光电效应中的第一点进行解释了。或者说根本不能进行解释。但倘若将原子的运动考虑进去,那么似乎就是合理的了。如图:

mkerxmlshy-gdlzx-4.gif (4296 字节)

         一个光子照射到原子身上,并和原子产生作用。它给于电子的作用力和给与原子核的作用力是相反的。那么这个作用力会使原子中的原子核和电子有向相反运动的趋势。

     对于电子,由于电子的质量很小,和原子核以及其它相邻原子的作用是电的作用力,当然也可以叫做电场力,这种强烈的作用力支配着电子的运动状态。另一方面,原子的本身由于处于确定的温度状态,必然在进行无序运动,所以不仅仅是由于光子给与原子的作用并沿光给与作用的方向运动。

     另一方面,金属表面表层原子的存在,会遮住光子,使光子不能进入金属原子的内部。那么遮住光子的主要是原子核,电子也会阻挡光子进一步深入到金属内层,但电子的每一次变速运动,都会形成一种光子,这种光子和电子作用的光子的叠加将会使光子的频率降低,(少数情况是增加,这种情况是电子的变速运动不是由光子的变速运动引起,并且和引发光子的变速方向是相同的变速方向)这可以看作光子和电子间的作用都是通过空间介质来完成,实际上就成了两种作用,而不是两个光子。

     我们可以确定,原子中电子的释放依赖于金属原子的运动,在金属原子运动过程中,两个原子或者多个原子之间会形成对原子外层电子的作用,我们可以确定照射到金属表面的光的强度越大,原子和电子所受到的作用力也越大,那么,越较容易突破原子的势垒,这样光电流就越大。在原子外层电子突破原子势垒的过程中,其它的原子外层的电子也会给于这个电子一个确定的作用力,并存在一个确定的方向。如图:

mkerxmlshy-gdlzx-6.gif (3737 字节)

     电子对原子势垒的突破,依赖于三种作用。一种作用是金属原子的震动速度形成的金属原子碰撞过程中各个电子给与的作用,另一种作用是光的作用,那么不用问,最后一种作用就是原子核的电引力作用了。

     从如上的分析看,除了传统物理学中光电效应提出的几种关系之外,还存在如下的关系:

     第一、光电流的大小同光照射金属表面的温度存在确定的关系。

    在机械运动的能量体系中,曾有采用动能的能量概念和采用动量的概念等效的观念,并反映在分子和原子通过温度的定义进行调节,两种描述具有等效性。这里也是对物体温度和分子运动速度之间的关系的一种检验。

      在光照强度确定的情况下, 光电流的大小依赖于金属原子间的碰撞次数。温度的平方同金属原子的碰撞(作用)次数成正比。(可参见机械运动的能量体系中关于此的内容)。

     那么我们可以得到,光电流的大小同金属表面温度的平方成正比。(请注意,这个结论是采用温度同物质分子的动量成正比。课本中的是温度同物质分子动能成正比。)

     第二、光电子的动能同金属表面的温度存在确定的关系。

     这个关系是很复杂的,依赖于两个相邻原子中原子的每一个个体给与光电子的作用。那么有一个额外的关系,但可以表示成:

     原子势垒作用+光电子动能=光子的作用+温度额外关系

  (注:如上的等量关系不表示在能量的数量上是等价的,而是描述形式)

 

     采用实验的方法对光电效应的关系最容易确证,将是简单的。在光照强度不变的情况下,改变一下金属的温度就行了。测定一下光电子的动能以及光电流的大小。

 

    第三、在光电效应的如下两点中将没有争议:

     第二、光电子的初动能与入射光频率间的关系

     光电子的最大初动能随入射光的频率v线性地增加,而与入射光的强度无关。当光照射某一金属时,无论光的强度如何,如果入射光的频率小于此金属的红限频率v0,就不会产生光电效应。

     大家可能奇怪,怎么会这样。好象频率和原子的势垒没有关系,又怎么能对这一现象进行解释呢?

     在这里我们少提一下关于质量的问题,大家知道,惯性质量等效于引力质量,其内在联系是物体的引力加速度等于惯性加速度,那么原子核本身存在一个电的作用场,它对核外电子的作用也是同引力场相类似的形式。同时一个电荷的一个确定的加速度,对应于它所发出光的一个频率。我在本文的前面已经描述过了。您可参阅。

     在广义相对论中,引力质量等效于惯性质量是一种经验约定的形式,那么在原子现象中(或者电磁现象中)也只能是一种经验约定。两种的作用形式是等效的。我想可以将原子对核外电子的势垒作用形式,同光的频率看作是等效的。通俗的说,原子核对电子的束缚,在作用形式上,等效于光的频率。这样的结论是通过这种物质运动变化形式分析得到的。当然,还需要进一步的验证。

     当然,两者存在区别,这种区别就是原子核对电子的束缚是某种间断的、不连续的作用数量关系,频率则可以是连续的。而引力质量和惯性质量所表现出的引力强度和加速度,则是连续的。但这并不妨碍两种作用形式及其作用的结果看作是相类似的形式。因为引力场和加速度的关系、原子核的势垒同电荷的加速度是两种不同的物质作用属性,同时,两种作用所面对的对象以及物质结构也是不同的。

   但注意的是两种作用模式是等效的不等于是相同的。

     第三、光电效应和时间的关系

     只要光的频率超过红限频率v0,那么,从光开始照射直到金属释放出光电子,其中的时间间隔小于10-9秒,于光的强度无关。

     光电效应只要不看作传统物理学中光的电磁的周期震动,那么光电效应和时间的关系则是没有争议的。采用本文中所述的方法去处理光电效应的光电子获得动能的时间,完全是光给于电子的作用。

     第四、关于原子势垒的看法

     在原子中,原子核对电子的作用形成原子的势垒。由于电子的质量非常的微小,那么,原子势垒则主要是电的作用。突破原子中这种电的作用,只需要外界给于电子的作用大于或者等于原子给于电子的这种作用就可以了。

     从这样的角度是存在事实的支持的,比如物质的电离能:一种原子的第一电离能是较低的,这依赖于原子中电子拥有的电荷数和原子核的电荷数是相等的。将原子中的一个电子电离出去以后,第二电离能则要大的多,这说明原子中的电子之间存在相互作用。我们知道,两个电子之间是斥力。减少一个电子的斥力,在将一个电子电离出去的时候就要需要的作用力大的多。

     但传统物理学中将原子中电子个体的作用完全忽略掉,而采用轨道的模式进行解释。这样的解释显然是不合理的。

     原子势垒完全依赖于原子核和原子中电子之间的作用。我本人不赞成采用轨道的模式对原子中电子的状态进行描述。这不是物理的描述方法,而是数理的描述方法。

    第五、传统的光电效应的作用方向

     如果一个光子被一个核外电子完全吸收,那么在吸收过程中必然存在一个确定的方向。那么依据传统物理学中关于电子与光子进行弹性碰撞的模式。如图:

mkerxmlshy-gdlzx-8.gif (2350 字节)

     电子在吸收光子后会产生一个动能,这个动能所表示的电子的运动方向是向金属的内部,而不是飞离金属。直接采用的计算方法在原理上来说是有问题的。光子和电子碰撞后,如果电子将这个动能传递给金属原子,那么在传统的光电效应中还是要缺少一些合理的东西了。而物理学中则采用的是直接的动能的计算。可以想到,传统的解释方法是不能成立的。

    

5、康普顿效应的疑点

     康普顿效应是光的散射的一种波长变化的规律。我这里将课本上的光的散射的定义给摘录下来:

          当光束通过光学性质不均匀的介(媒)质时,从侧面可以看到光的现象称为光的散射。

     康普顿效应有以下的规律:

     (1)波长的改变Δλ=λ-λ0于原入射波长λ0和散射物质无关,而于散射方向有关,当散射角(散射线于入射线之间的夹角)增加时,Δλ也随之增加。

    (2)原子量小的物质,康普顿散射较强;原子量大的物质,康普顿散射较弱。

     第一点、如果不能采用传统物理学中波动学中的波长概念对原子发光的电磁波进行描述,那么本文中的第一点将没有任何的意义。本文的看法是波长不是一个震动的周期,在原子发光的过程中,没有周期一说,只有关于空间作用传递的几种量。采用传统物理学中的光于电磁波的物理量的意义和方法是没有意义的。因此第一点没有意义。但它对应另一种作用关系。

     频率对应于原子发出的电磁波传递过程中的一种量,实际上,所有的电磁波都对应这样一种量。只是在传统的电磁波的波动学中,忽略了这样一种量,关于电磁波作用的一种量。

     关于波长改变的作用模式:一个电子和一个光子发生作用后,电子会发生存在状态的改变,主要表现为变速运动。同时它也会发出一个光子,(这样描述,是采用传统物理学中的概念进行描述,便于说明白而已),原来的光子和电子产生的这个光子是两种不同的甚至是相反的空间作用,两种作用给外界物质的总的作用是相消的。因此我们感觉到光的频率的变化。传统的意义上,波长的变化。

     第二点、康普顿散射强弱同原子量存在确定的关系。

     我想这一点可以化归到原子的结构中。如图:

mkerxmlshy-gdlzx-7.gif (1864 字节)

     当原子量大的时候,原子序数必然不能是很小。我们知道,在原子的体积中,积聚着一个原子核、和原子核电荷数相等的负电子。原子量越大的原子,原子序数也越大(这一点在统计上可以这样认为)。那么在一个原子的空间体积中所积聚的电荷数也越大,同时电的作用在这个空间体积里也越强烈。相对来说,在这个空间中移动一个电子也越困难,或者需要的作用也越大。那么在这样的空间里寻找到一个自由移动的电子的可能性也越小。那么我们不难得到,光的散射在电荷数较大的原子中会较弱的结论。

     传统物理学中的疑点

     在这里,请允许我摘录一段自相矛盾的话:

       上述推倒过程说明,在康普顿散射中,发生波长改变的原因是:当一个电子于散射物质中的一个自由电子或束搏较弱的电子发生碰撞后,电子将沿某一方向散射;同时在碰撞过程中,电子将一部分能量传递给电子,散射光子的能量就比入射光子的为少,因为光子的能量与频率成正比,所以散射光的频率就比入射光的频率小(即波长λλ0

     原子中的内层电子一般都被束缚得很紧密,当光子于这些电子碰撞时,光子将于整个原子交换能量和动量,由于原子的质量比电子的质量大的多(最轻的氢原子的质量也比电子的质量约大2000倍),按照碰撞理论,在碰撞后,光子虽然改变运动方向,但不会显著的失去能量,散射光的频率也不会显著的改变,所以在散射光中也由原来波长的光。在重原子中,内层电子比氢原子多,因此原子量大的物质,康普顿散射较弱,原子量小的物质,康普顿散射较强。

             《普通物理学讲义》王殖东 阎金铎 李春编  中央广播大学出版社p241-242

     在这本物理学教科书中,康普顿散射采用的是自由电子计算的。但是自由电子在原子核的外层。但推导原子量较大的物质散射较弱时却采用原子内层的束缚紧密的电子。那么到底那一种电子才是使康普顿效应的发生的电子呢?这很值得怀疑。至少在解释康普顿效应的两个规律中光子碰撞的对象上在理论上是错误的。

     在推倒康普顿效应现象的两个根据是采用的两种在原子状态完全完全不同的电子,这完全是矛盾的,或者康普顿的理论与解释现象的规律是无关的。

     传统物理学中采用的光子和电子的弹性碰撞不能得出原子量小的物质,康普顿散射较强,原子量大的物质,散射较弱。

     既然光子和电子发生的是弹性碰撞,那么光子和原子中所有的电子都可能发生弹性碰撞。原子量大的物质,核外电子要多的多,弹性碰撞的几率要比原子量小的物质要大的多,这样传统看法只有一种结论:

     原子量越大,或者说,原子序数越大,那么 康普顿散射越强。

     传统中的看法认为康普顿效应仅发生在原子的内层电子上是没有任何道理的。

6、光电效应和康普顿效应中电子和光子作用属性反映出来的疑点

     有一个问题是非常重要的,并且值得怀疑。这个问题就是光电效应和康普顿效应中光属性的区别。

     在光电效应中,电子完全吸收光子,并完全转化为自身的动能。而在康普顿效应中,电子却仅和光子发生弹性碰撞。

     难道电子和光子进行相互作用的时候可以进行智能判断,进行光电效应的时候,光子一定要被电子完全吸收,而进行康普顿效应的时候,光子和电子之间却仅进行弹性碰撞。难道电子和光子之间可以进行约定,只要是光电效应,电子就对光子完全吸收,或者只要是康普顿效应,那么就只进行弹性碰撞。

     但实际上,作为光电效应和康普顿效应来说,光子和电子的本身作为属性来说应该没有区别,唯一不同的是一种是能量较低的光子,另一种是能量较高的光子。另一方面,传统物理学也没有否认能量较低的光子不存在康普顿效应,能量较高的光子不存在光电效应。(可参见大学物理课本),这完全是矛盾的。

     如果单独的采用光子的粒子性对光电效应或者康普顿效应去解释,就已经存在很多疑点,将两种表现为粒子性的两种现象放在一起,光子和电子之间的作用行为更难让人相信它们的真实性。一种是完全吸收、一种是弹性碰撞(不吸收,完全弹性碰撞)。如果电子的属性在两种效应中是恒定的,那么光子的属性必然是不同的。但实际上,我们很难找到作为粒子性的属性在两种能量之间的差异。(可参见本文开篇的对粒子性的分析)。

     只有一种可能,光的粒子性的本身是错误的。

7、光子的属性

     在上一篇文章中,我们已经否认了光不具有波动性,那么在这篇文章中,我们又否认了光不具有粒子性。那么光到底是什么呢?

     从产生光的物质运动形式以及光和物质的作用形式上来看,将光看作通过空间介质传递的一种作用是合适的。单独的一个光子具有波动性,但整体光子的叠加却不具有波动性。

     在作用的特点上,和传统物理学的光子的属性存在分歧。主要表现为频率属性的特点。传统物理学认为,一个确定频率的光子不论空间距离多远,都可以和物质发生这个光子所具有的特定能量的作用。这个能量和光子的频率是对应的。本文的分析认为,光子除了和频率有特定关系之外,还和光的强度以及物质的本身有一定的关系。光子的能量完全依赖于空间和物质的作用本身。并且,能量是不守恒的。

   光子有待确定的一个重要属性——个体属性在传递过程中的扩散:

   有一个问题是很重要的,就是空间介质我们永远是未知的,只能进行可能性的猜测。空间介质对于作用的传递,我们也只能根据经验事实来确定。光的量子性和我提出的看法有相同点,光子是由电子产生的。光的量子性的一个电子的跃迁产生一个光子。我的看法是一个电子的存在状态的改变产生一个光的作用。

   在传统物理学中,确定了光子作为个体的存在,并且具有确定的能量,具有确定的大小。这样光子在空间中的传递过程中必然是恒定的了。这是作为一个光子特征不变的个体的存在。

   我认为光的传递依赖于空间介质,那么空间介质传递作用是确定性的解释,但空间介质的属性是未知的。光子的个体属性在这种意义上来说,目前是一种不确定性的状态。但依据电场、磁场、万有引力场等通过空间介质进行作用的特点。空间介质具有张量的属性。一种很大可能是一个电子产生的一个光子在传递过程中会进行扩散。这是根据静态的空间介质对作用传递而得出的一种结论。应用于由电子的变速运动而形成的瞬时的空间作用传递是一种极大的可能。常理来说应该可以。但这样将空间的介质属性施加于光的这种作用本身会和传统的光子的量子理论存在区别。这种区别就是空间扩散。即:个体光子在传递过程中存在扩散的性质。这可以通过实验进行检验。这种属性根据激光的方向性很好是存在问题的,但会不会存在其它的原因。

    光的这种属性不能被确定这是必然结果,因为是根据静态的空间作用外推的结果。光是一种瞬时的作用传递。作用模式是不同的。这只是一种极大的可能。同时也是将静态的空间介质作用应用于动态的空间作用的一种尝试。

8、检验光的个体性扩散的一种方法

   现在的天文学家借助于大型的天文望远镜去观测遥远的天体。对于光学望远镜,其工作原理是将大面积的光汇聚到一个小面积上,并形成对我们视觉的作用,但倘若大面积上的光不能形成对我们视觉的刺激,那么我们将不能发现遥远星体的存在。同样,采用电子设备去观测也一样,比如我们采用光电倍增管去发现微量的光。传统所说的微量的光子。如果我们将大量面积的光会聚到一点,那么采用光电倍增管会很容易发现,否则光电倍增管也一样,这依赖于光的作用能否形成对光电倍增管中的电子能否产生有效的作用。如果光子是传统科学中的具有粒子特性的行为,那么光电倍增管将同样可以发现,于光的强弱无关。这可以做为检验光的属性的一种方法。

   如图:

mkerxmlshy-gdlzx-9.gif (2086 字节)

   我们可以在晚上采用对遥远地方的弱光源进行观测,来进行验证。

   实验中,为了排除其它的星光对实验的影响,我们在墙下面或者可以遮蔽星光的地方,放置一个弱光源,在相距较远的地方设立一个观测点。将观测仪器放置在一个长筒里,长筒主要用于遮蔽其它的光(如星光或者远处的灯光)对观测者的影响。当然,长筒的方向和光源的位置的需要矫正,这一点可以采用一束激光进行矫正,保证长筒中的观测点上可以发现弱光源的光(也可以采用在弱光源后面放置一个强光源进行矫正)。

   如果我们采用光电倍增管来作为发现光子的器件,并且一个光子可以形成一个电流脉冲。如果光的属性是传统物理学中所说的具有粒子性的属性,那么观测点上的光电倍增管在确定的时间里总可以观测到几个电流脉冲。当倘若是光的属性象我在本文中说明的属性——个体光子进行扩散,那么,弱光源和观测点在确定距离远后,将不能观测到任何一次电流脉冲,不论多长时间。

   在严格的试验中,可以采用两组同时进行观测。如图:图中一个观测点的长筒对准弱光源,另一个观测者对准墙上空白的地方。

   主要用于矫正空气中,或者是否存在其它的原因导致的发光现象。

实验中对长筒的要求:

   长筒的内表面尽量采用对光的强吸收材料,如采用黑色的。

   另一点则是长筒的长度足够的长,这个长度则和墙壁存在一定的关系,从长筒中去观测,其视面积不能超过墙的面积。

mkerxmlshy-gdlzx-10.gif (9290 字节)

实验对墙的要求

   墙的表面也要采用强吸收材料,如涂上一层煤烟。

另外需要说明的是,光电倍增管在距弱光源近距离处,必须弱光源可以对光电倍增管作用可以形成电流脉冲。如果弱光源的光在近距离处不能对光电倍增管产生足够的作用,那么也就失去了实验的意义。

2001.3.13

修改于2001.3.18


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