经典力学解释光电效应的本质原理

前言：

迈克尔逊-莫雷实验只是证明了同一光源向任意方向发射的光波速率都是相同的(严格来说只证明了该光源在地球表面水平方向上发射的光波速率是相同的，因为实验仪器是水平旋转的)，并不能证明光速不变，也不能证明以太不存在。

本文是《光子论》的一部分，光子论的所有理论都遵循经典物理学原理，由于真空中磁铁依然可以互相吸引或排斥，根据经典物理学原理，显然真空中有一种介质可以传递电磁力，本文沿用20世纪之前的名称，将这种介质称为“以太”，并假设以太是一种可以被极大限度压缩的流体。

带电粒子的荷质比是固定不变的，粒子的电荷量与它的质量成正比，也就是说当质量变化时，电荷量也会发生变化。电荷量的变化会导致真空磁导率μ0发生变化，而真空磁导率μ0的变化会导致麦克斯韦推导出的光速值

成为了变量，可以间接证明光速是可变的。

本文中的“移动速度”是相对以太的速度，“运动速度”是相对观察者或者相对某个参照物的速度。

地球在以太中的移动速度为光速c(并不会导致质量无穷大)，移动方向大致为北黄极(黄道面的北方)，具体方向需要实验验证。

单个光子无法形成电磁波，就像单个水分子无法形成水波，由于电磁波的最小单位具有一定的长度，物理学界称为“波列长度”(请注意波列长度并不是波长)，本文将电磁波的最小单位称为“一列电磁波”或“单列电磁波”，而目前物理学界将最小单位称为“单光子”。 

本文将核外电子改变运行轨道简称为“变轨”，而目前物理学界称为“跃迁”。

本文中的“刚体粒子”是指球形微观粒子，根据《刚体粒子旋转定律》可知，当刚体粒子在以太中以速度

移动时，它的自转速率将等于移动速率

(

是光速的变量值，可以大于或者小于等于c)，且只有“荷质比”最大的粒子才可能是刚体粒子，目前已知电子的荷质比最大，可以将电子假设为刚体粒子，质子和中子的荷质比小很多，说明它们都不是刚体粒子，都是由一些更小的粒子环绕其共同的质心而形成，这些更小粒子可能都是刚体粒子，也可能还存在更小的层级，但最小层级的粒子一定都是刚体粒子。为方便计算，本文有时会将物体或星体的质点看作是具有一定半径、且旋转角速度为0的刚体粒子。    

正文：

由于地球在以太中的移动速度为光速c，根据旋转定律可知构成地球的所有刚体粒子的旋转速率也为c，粒子周围旋转以太风的向心加速度就是该粒子的电场加速度，加速度的方向指向旋转中心，旋转中心位于旋转轴上，旋转以太风的线速度方向就是该粒子产生的磁场的方向，当旋转以太风扫过其它刚体粒子时，就会对其它刚体粒子产生力的作用，两个旋转方向相反的刚体粒子所产生的旋转以太风互相扫过对方时，根据流体力学中的马格努斯效应即可判断出两刚体粒子会互相吸引，旋转方向相同则互相排斥。可以将旋转以太风类比为空气中的龙卷风，旋转龙卷风的向心加速度也会对周围物体产生向心力，向心力的方向指向龙卷风的旋转中心，旋转速度越快，旋转中心的气压以及密度就越低，当旋转速度足够快时，龙卷风的中心可以形成真空(密度和气压都降低到接近0)。同理，当刚体粒子的旋转速度足够快时，粒子前后方一定范围内将形成绝对真空（绝对真空是指既没有空气，也没有以太），以太风旋转中心绝对真空的范围越大，则旋转以太风内壁的斜率越低，粒子的阻力以及阻力系数也就越小。根据之前篇章可知，当刚体粒子以速度c在以太中移动时，旋转以太风从“赤道”擦边而过时的斜率等于两个刚体粒子之间万有引力与电磁力的比值，约等于

，请注意该斜率只是粒子表面旋转以太风的斜率，由于斜率极其低，可以将粒子表面旋转风近似为圆筒形(圆筒长度以及圆筒内部直径都等于刚体粒子直径)，但刚体粒子前方以及后方的旋转以太风却是漏斗形，斜率并没有这么低，前后两个旋转漏斗在理论上都是无限长的，但距离刚体粒子越远旋转速度越小，超过一定距离后旋转速度可以忽略不计。   

由于刚体粒子以速度c在以太中移动时，前后方一定范围内处于绝对真空状态，几乎无法撞击到以太(阻力以及阻力系数极其接近0)，但是当刚体粒子的运动状态发生变化时(比如受到其它粒子撞击，或者受到电场、磁场、引力场影响等)，它就会撞击以太中的光子，从而辐射电磁波。由于电子质量远大于光子质量，根据动量守恒定律，电子撞击光子所发出电磁波的速率将等于电子在以太中移动的速率（电子移动速度相对的是以太，电磁波速度相对的是电子）。

原子中的核外电子从高轨道向低轨道变轨时，由于运行状态是变化的，在变轨期间就会持续撞击以太中的光子从而发出电磁波，由于地球在以太中移动速度为光速c，所以地球表面的光源辐射的电磁波速率也等于c，由于变轨运动时核外电子做的是椭圆轨道运动，所以辐射的是椭圆偏振的电磁波，但如果椭圆的偏心率接近1，可以认为是线偏振电磁波，设核外电子做椭圆轨道运动一个周期所需要的时间为T，则辐射电磁波的频率ν=1/T，波长λ=c*T，设变轨所需要的总时间为t，则电磁波的波列长度L=c*t，核外电子椭圆轨道的长轴所指的方向就是电磁波的偏振方向，轨道半长轴的长度则为电磁波的振幅。所以核外电子发射的电磁波既具有粒子性也具有波动性，从电磁波的产生机制可以看出单光子无法形成电磁波，就像单个水分子无法形成水波。另外说明一下，核外电子从低向高变轨时运动速度的变化率很小，辐射的电磁波能量太小，无法被探测到，可以忽略不计。   

为方便进一步理解电磁波的波粒二象性，假设有一个电子枪以光速c发射电子束，显然电子枪在静止时发射的电子只具有粒子性，但是当电子枪在发射电子的同时还在做简谐运动，且简谐运动的方向与发射电子的方向垂直，那么此时发射的电子束既具有粒子性，也具有波动性，假设简谐运动的电子枪发射了t秒的电子束，简谐运动周期为T，简谐运动范围为x米，那么发射的电子波的波列长度L=ct，波长λ=cT，频率ν=1/T，振幅=x/2，偏振状态为线偏振，偏振方向与简谐运动方向相同，如果电子枪做圆周运动或者椭圆运行(运动平面与电子束的方向垂直)，那么电子波偏振状态为圆偏振或椭圆偏振。

假设电子是刚体粒子，设p点距离电子为r，设p点旋转以太风的线速度为v（请注意速度v相对的是旋转以太风的旋转轴，不是相对电子的速度），根据之前篇章可知

(

是电子在以太中的移动速度，

是电子的半径)，那么p点旋转以太风的向心加速度(电场加速度)

，这里的“向心”指向的是以太风旋转轴上的一点，而以太风旋转轴在理论上是无限长的，但由于v²r是定值，r的值越大v就越慢，超过一定距离后旋转速度v可以忽略不计。由于电场强度与电荷量成正比，设电子以速度c在以太中移动时的电荷量为e0，那么电子以速度

在以太中移动时的电荷量

，设两电子相距为r，且线段r与它们的旋转轴互相垂直，根据牛顿第二定律以及库仑定律可得出两电子之间库仑力(电磁力)

(电子半径

米)。 

根据波尔氢原子模型，核外电子的轨道半径是离散的，轨道半径

（r1是基态轨道半径，n是大于等于1的自然数），由于

，且核外电子的轨道平面总是与氢原子在以太中移动的方向相垂直(之前篇章有解释原因)，可以得出轨道运行速度

，那么基态轨道运行速度

，核外电子在激发态轨道的运行速度

。

本文将核外电子变轨时发出的电磁波简称为“变轨电磁波”或“变轨波”，由变轨波产生的原理可知，变轨波是一段长度有限的、弯曲成椭圆螺旋形状的光子束，而且一整条波形光子束是连续的、无断点的，单条变轨波的能量

，所以变轨波的能量并不适合用光量子假说的表达式E = hν来表示，当变轨波打到某个粒子上时，由于变轨波的振幅远大于电子的直径，所以一列变轨电磁波打到某个核外电子，被核外电子吸收的能量与该变轨波的振幅没有关系，设变轨波的螺旋圈数为n(n=t/T)，那么所有螺旋圈打到核外电子的总次数为n次， 设每次打到核外电子时被吸收的能量为H，那么总能量为E的变轨电磁波打到电子上被电子吸收的总能量

，可以看出该式与光量子假说的表达式E = hν比较相似，但比E = hν更接近物理学本质。由于变轨波的波列长度通常在毫米或厘米量级，所以n远小于ν，H远大于h。根据互联网上查到的一些内容资料，钠光灯发射光波的波列长度约为0.058cm，波长约为589nm，根据n= t/T，L=ct，λ=cT，可以得出n = L/λ，所以纳光灯发射的光波螺旋圈数n = 0.00058m/5.89e-7m ≈ 985，而其频率ν约为508985，远大于n。而且频率ν的数值大小取决于人类对1秒的定义，1秒是人类日常生活中使用的最小时间单位，显然它不可能与外星人的生活常用最小时间单位相同。如果普朗克生活在某个外星球，假设该星球的最小时间单位略大于1秒，那么E = hν中的频率ν的数值将增大，普朗克常数h的数值也就会减小，所以光量子假说的表达式E = hν并不是一个普适的公式，普朗克常数h并不能代表宇宙的最小能量单位，它只是人为定义的具有主观性的数值。设变轨波的每个螺旋圈所具有的能量为K，则变轨波的总能量为E = Kn，打到其它粒子被该粒子吸收的能量

，ε是吸收率(0<ε<1)，显然这两个表达式都比E = hν更合理，更能揭示其物理学本质。 

当高频电磁波照射到金属表面时，金属会发射电子（称为光电子），这一现象被称为“外光电效应”。显然发射出去的电子是被电磁波打出去的，使其脱离了金属表面对该电子的束缚(金属中的最外层电子并不是由单个原子所控制，不能简单的称为摆脱某个原子核的束缚)。由于原子核对最外层电子的束缚力最弱，所以最外层电子更容易逸出。设电子吸收电磁波的能量后脱离金属约束所需要的最小逸出功为W，根据能量守恒可以得出

，v是核外电子的逸出速度，由于H基本是固定的值，所以n越大，则电子吸收的总能量

越大，电子逸出的可能性就越大，而且

越大则逸出电子的动能越大，从该式还可以看出逸出动能的大小与电磁波的振幅以及光强无关。当n小于一定数值时

将小于逸出功W，此时不会产生光电效应。由于n = t/T ，L=ct，λ=cT ，得出n = Lν/c，所以

，可以看出波列长度相同或相近的电磁波，频率越大则螺旋圈数n越多，所以频率越大的电磁波打到电子上，被电子吸收的能量就越大，当一定时间内电子吸收的总能量大于逸出所需要的能量时，就会产生光电效应。 

产生电磁波的方式有很多种，有很多种不同类型的电磁波，比如热辐射产生的电磁波不一定都是变轨波，还有人工调制电磁波、激光电磁波等等，各种类型的电磁波的波列长度可能会相差很大，但电子在吸收电磁波能量的同时也在将能量持续向周围粒子传导(热传导)，波列长度为L的一列电磁波击打电子的持续时间总是小于等于L与波速c的比值(L/c)，该电子在累积能量的同时也在持续将吸收的能量传导给原子核以及周围其它原子，如果累积吸收的能量减去累积传导出去的能量始终小于逸出所需要的能量，那么电子依然不会逸出，就不会产生光电效应。所以频率较低的电磁波，即便其波列长度无限长，也依然无法使金属产生光电效应。

总结，由于频率为ν、波列长度为L的电磁波打到某个电子时，被电子吸收的能量

，从该式可以看出频率ν越高则被电子吸收的能量就越高，由于电子需要克服逸出功才能从金属中逸出，所以只有频率超过一定阈值的电磁波打到金属表面才可以产生光电效应，不同金属的核外电子逸出功的大小是不同的，所以不同种类的金属其阈值频率是不同的。普通光源的波列长度通常只有几微米或几毫米，即便按1米计算，电磁波打到某个电子的最长持续时间为：1米/c ≈

秒，可见打到电子时的能量累积时间极小。由于光源发出的电磁波都是由大量的“单列电磁波”组成，且光强与电磁波的列数(或称条数)成正比，所以光强越强，单位时间逸出的电子数量越多，光电效应就越明显。根据能量守恒可以得出电子吸收的能量

，得出逸出电子(光电子)的动能

，从该式可以看出逸出电子的动能与电磁波的频率ν成正比，与电磁波的振幅以及光强都无关。