作者：彭曉韜

日期：2020.04.08

[文章摘要]：金屬材料具有導(dǎo)電、電熱等特殊性能，其物理性質(zhì)被廣泛用于人類的生產(chǎn)和生活中。但金屬材料在電磁場(chǎng)中的行為具有的某些特殊性與復(fù)雜性并未得到充分的、系統(tǒng)性的闡述與研究，以致于目前物理學(xué)界對(duì)其的全面性、特殊性的認(rèn)識(shí)程度還有待加強(qiáng)與提高。本文就此提出一些粗淺的建議供有條件的專家學(xué)者們參考。

一、金屬的主要特點(diǎn)

除以上特點(diǎn)外，金屬還有最重要的二大特點(diǎn)：導(dǎo)電與導(dǎo)熱。也就是在外部電場(chǎng)與磁場(chǎng)的作用下或自身熱運(yùn)動(dòng)作用下，金屬中的最外導(dǎo)電子可以定向流動(dòng)或?qū)?dòng)能傳遞給鄰近分子。

二、電磁場(chǎng)的基本特性

1、電場(chǎng)的基本特性

1.1、時(shí)間特性：可分為恒定電場(chǎng)與時(shí)變電場(chǎng)。

1.2、空間特征：點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)之強(qiáng)度隨距離的平方反比衰減。

1.3、頻率特性：可分為連續(xù)譜與非連續(xù)譜。

1.4、場(chǎng)源特性：可分為點(diǎn)源、線源、面源與體源。

1.5、動(dòng)力特性：可使帶電體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（加、減速）。

2、磁場(chǎng)的基本特性

磁場(chǎng)的基本特性與電場(chǎng)基本相似，只是動(dòng)力特性有所不同：不能使帶電體改變運(yùn)動(dòng)速度，只能改變其運(yùn)動(dòng)方向。

三、金屬材料在電場(chǎng)中的基本行為方式

1、在恒定電場(chǎng)中的行為方式

如上圖一所示：在均勻的恒定電場(chǎng)中，金屬板表面靠近正極的一側(cè)會(huì)聚積負(fù)電荷（電子）。而在靠近負(fù)極的一側(cè)會(huì)聚焦正電荷（失去電子）。金屬板表面的電荷分布狀態(tài)正好以抵消外部電場(chǎng)并直接導(dǎo)致其內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度為0。

2、在非恒定電場(chǎng)中的行為

2.1、決定金屬板在非恒定電場(chǎng)中行為的主要因素

2.1.1、金屬中原子最外層電子的運(yùn)動(dòng)速度的影響

雖然金屬中原子最外層的電子相對(duì)內(nèi)層電子更自由且可在鄰近不同原子間相互交替運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡并非僅圍繞單個(gè)原子核運(yùn)動(dòng)。但其運(yùn)動(dòng)速度的大小是影響其在外部電場(chǎng)中改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素之一。當(dāng)外部電場(chǎng)的變化周期遠(yuǎn)大于電子從金屬板的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)（或從原子核一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)）所需的時(shí)間時(shí)，電子就很容易跟上外部電場(chǎng)的變化速度而保持金屬表面的電荷分布滿足其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為0的狀態(tài)。當(dāng)外部電場(chǎng)的變化周期遠(yuǎn)小于電子從金屬板的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)（或從原子核一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)）所需的時(shí)間時(shí)，則金屬表面的電荷分布就不能滿足其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為0的狀態(tài)。就會(huì)出現(xiàn)外電場(chǎng)在金屬板內(nèi)傳遞的現(xiàn)象。

2.1.2、外電場(chǎng)的強(qiáng)度影響

當(dāng)恒定的或單個(gè)周期內(nèi)的外電場(chǎng)的強(qiáng)度不足以使電子加速到逃逸原子核及金屬對(duì)電子的束縛時(shí)，金屬中的電子只會(huì)改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和空間分布，以阻止金屬板內(nèi)部的電場(chǎng)受到外電場(chǎng)的影響。當(dāng)恒定的或單個(gè)周期內(nèi)的外電場(chǎng)的強(qiáng)度足以使電子加速到逃逸原子核及金屬對(duì)電子的束縛時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象，甚至使金屬板被氧化、燒蝕、氣化等現(xiàn)象。如：高壓靜電放電、光切割、電焊、陰極射線管及電視機(jī)顯像管等。

2.1.3、外電場(chǎng)的頻率影響

當(dāng)外電場(chǎng)的頻率遠(yuǎn)小于電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)頻率時(shí)，金屬中的最外層電子就可以跟上外電場(chǎng)的步伐而改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)外電場(chǎng)的頻率遠(yuǎn)大于電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)頻率時(shí)，則金屬中的最外層電子就不能跟上外電場(chǎng)的步伐，只會(huì)在圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)稍微改變?cè)瓉淼能壽E，總體上的運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)有大的改變。而當(dāng)外電場(chǎng)的頻率與金屬中的最外導(dǎo)電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)頻率相近時(shí)，則雖然單個(gè)周期內(nèi)的外電場(chǎng)的強(qiáng)度不足以使電子加速到逃逸原子核及金屬對(duì)最外層電子的束縛，但經(jīng)多周期持續(xù)（同步）加速后，金屬中某些頻率與相位合適的電子就會(huì)不斷提高運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)達(dá)到逃逸速度時(shí)，電子就會(huì)從金屬板中逸出并成為光電子，即形成所謂的光電效應(yīng)。

2.1.4、電子響應(yīng)外電場(chǎng)變化能力的影響

電子在外電場(chǎng)中改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并不能完全與外電場(chǎng)的變化同步，會(huì)存在一定的滯后效應(yīng)的。如下圖二所示：外電場(chǎng)強(qiáng)度變化與電子速度變化的起始與峰值時(shí)間并不相同。存在一定的時(shí)間差△t。如果是質(zhì)量更大的質(zhì)子在變化的電場(chǎng)場(chǎng)中，其△t值應(yīng)該遠(yuǎn)大于電子。

當(dāng)外電場(chǎng)的周期遠(yuǎn)大于電子的滯后時(shí)間△t時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化就會(huì)與外電場(chǎng)的變化趨勢(shì)基本同步；當(dāng)外電場(chǎng)的周期小于電子的滯后時(shí)間△t時(shí)，則電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就跟不上外電場(chǎng)的變化步伐，也就會(huì)出現(xiàn)電子不隨外電場(chǎng)的變化而變化了。X和r射線穿透金屬材料就是因?yàn)榇嗽蛩隆?/p>

2.1.5、金屬原子電子層數(shù)及最外層電子數(shù)量的影響

當(dāng)金屬原子的電子層數(shù)越多，最外層電子受到原子核的約束力就越小，電子在外電場(chǎng)作用下更容易改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

當(dāng)金屬原子的最外層電子數(shù)量越多，最外層電子受到原子核的約束力就越大，電子在外電場(chǎng)作用下更不容易改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)樵诤雎栽觾?nèi)層電子的影響后，最外層電子受到的原子核的約束力是與最外層電子數(shù)成正比的。也就是在原子的內(nèi)層電子抵消后，原子核剩余的正電荷量與最外層電子數(shù)量一樣多，因此導(dǎo)致最外屋電子受到的力與最外層電子數(shù)量成正比。這也是為什么非金屬與金屬在同樣強(qiáng)度的外電場(chǎng)作用下，最外層電子不能隨心所欲的原因所在。也是導(dǎo)體與絕緣體存在導(dǎo)電性差異的本質(zhì)因素所在。也是但當(dāng)外部電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，絕緣體一樣可以被燒毀或擊穿的原因所在。也就是只要外電場(chǎng)的強(qiáng)度足夠大并達(dá)到讓絕緣體的外層電子達(dá)到逃逸速度，一樣會(huì)出現(xiàn)光電效應(yīng)！

2.1.6、溫度的影響

按照普朗克黑體輻射公式可知：當(dāng)金屬板的溫度越高時(shí)，其電磁輻射強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的頻率也越高。這表明隨著溫度的變化，金屬板中的原子和分子的熱運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)發(fā)生變化。這樣肯定會(huì)導(dǎo)致在同樣的外部電場(chǎng)作用下，金屬板的行為有所不同。

2.1.7、原子與分子熱運(yùn)動(dòng)速度的影響

按照普朗克黑體輻射公式可知：當(dāng)金屬板的溫度一定時(shí)，其電磁輻射強(qiáng)度與頻率間的規(guī)律是類似正態(tài)分布的連續(xù)變化曲線，說明金屬板內(nèi)部的原子與分子的熱運(yùn)動(dòng)速度是不同的且同速度的原子數(shù)量與分子熱運(yùn)動(dòng)頻率間的關(guān)系也是呈現(xiàn)連續(xù)的、有規(guī)律性的變化的。因此，當(dāng)遇到外部電場(chǎng)時(shí)，對(duì)金屬板內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)速度的分子與原子的影響是不盡相同的。

2.1.8、外電場(chǎng)與原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)初相位差的影響

當(dāng)外電場(chǎng)與電子繞核運(yùn)動(dòng)的初相位差不同時(shí)，電子受到外部電場(chǎng)的作用后，其運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì)也將不同。相位差小時(shí)可能出現(xiàn)加速運(yùn)動(dòng)，而相位差接近半周時(shí)可能就會(huì)出現(xiàn)減速運(yùn)動(dòng)。

2.2、單一頻率的外電場(chǎng)條件下金屬板的行為

從上面簡(jiǎn)述的決定金屬板在不恒定外電場(chǎng)中行為的八大因素可知：金屬中的最外層電子（實(shí)際上，內(nèi)層電子和原子核也會(huì)受到波及）的行為受到其自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度、方向、繞核頻率、初相位）與外部電場(chǎng)的振幅（強(qiáng)度）、方向、頻率、初相位等的共同作用。這八大因素的具體組合方式是決定金屬板在外電場(chǎng)中的行為的客觀因素。由于這八大因素的組合方式有無限多種可能性，這也就決定了金屬板在外電場(chǎng)作用下會(huì)有無數(shù)多種行為方式。這也體現(xiàn)出了客觀事物的復(fù)雜性與多樣性。

具體而言，當(dāng)外電場(chǎng)為單一頻率時(shí)，則減少了金屬板在外電場(chǎng)作用下的行為方式樣式：

2.2.1、當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度小于單個(gè)周期內(nèi)可使金屬板內(nèi)最外層電子逃逸時(shí)

當(dāng)外電場(chǎng)的頻率為0時(shí)，即為恒定電場(chǎng)條件下的情形，金屬板內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度為0，靠近正極一側(cè)表面分布負(fù)電荷（電子），另一側(cè)則分布正電荷（失去電子）；

當(dāng)外電場(chǎng)頻率小于金屬板內(nèi)最外層電子繞核運(yùn)動(dòng)頻率的最小值時(shí)，外電場(chǎng)只能改變最外層電子的繞核運(yùn)動(dòng)軌跡，不能使其脫離金屬板；

當(dāng)外電場(chǎng)頻率位于金屬板內(nèi)最外層電子繞核運(yùn)動(dòng)頻率最小值與最大值（不同電子的繞核頻率不盡相同，存在一定的區(qū)間）之間時(shí)，外電場(chǎng)不僅能改變最外層電子的繞核運(yùn)動(dòng)軌跡，而且可以使部分頻率與相位合適的電子得到同步加速并逃逸出金屬板成為所謂的光電子而產(chǎn)生光電效應(yīng)；

當(dāng)外電場(chǎng)頻率大于金屬板內(nèi)最外層電子繞核運(yùn)動(dòng)頻率的最大值時(shí)，外電場(chǎng)只能改變最外層電子的繞核運(yùn)動(dòng)軌跡，不能使其脫離金屬板。

2.2.2、當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度大于單個(gè)周期內(nèi)可使金屬板內(nèi)最外層電子逃逸時(shí)，任何頻率的外電場(chǎng)均可以使金屬板被氧化、燒蝕、擊穿甚至氣化。

2.3、非單一頻率的外電場(chǎng)條件下金屬板的行為

在此種條件下，金屬板的行為會(huì)比單一頻率時(shí)復(fù)雜得多。但可以按照疊加原理，將非單一頻率的外電場(chǎng)分解為由一系列單一頻率的外電場(chǎng)的效應(yīng)的疊加結(jié)果。

四、光電效應(yīng)的本質(zhì)因素分析

上一節(jié)已經(jīng)提及了光電效應(yīng)的發(fā)生條件，即當(dāng)外電場(chǎng)的強(qiáng)度小于單個(gè)周期內(nèi)可使金屬板中最外層電子脫離金屬板，并且外電場(chǎng)的頻率大于電子繞核運(yùn)動(dòng)頻率的最小值（紅限）并小于電子繞核運(yùn)動(dòng)頻率的最大值（我們暫且稱其為紫限）時(shí)，金屬板中某些相位和頻率合適的最外層電子就會(huì)得到同步加速，當(dāng)達(dá)到逃逸金屬板的速度后就會(huì)離開金屬板并成為光電子。

五、結(jié)論

從以上分析可知：金屬材料在外電場(chǎng)中的行為方式不僅與外電場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率、方向和相位有關(guān)，也與金屬板內(nèi)最外層電子的繞核運(yùn)動(dòng)速度、頻率、相位、方向以及最外層電子數(shù)量及電子層數(shù)等各種因素有關(guān)。每種因素又有很多種影響方式，其組合方式的多樣性、復(fù)雜性是決定金屬材料在外電場(chǎng)中行為方式的多樣性、復(fù)雜性的根本原因所在。但從根本上講：由于磁場(chǎng)只能改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，并不能使其變速運(yùn)動(dòng)。因此，決定金屬材料在外部電磁場(chǎng)中的行為方式主要由外電場(chǎng)的性質(zhì)與原子中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律共同決定。這也是微觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要由電磁力決定的具體體現(xiàn)。只要用電磁場(chǎng)決定微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀點(diǎn)去審視，就不會(huì)出現(xiàn)唯心的、不符合客觀實(shí)際的各類假說與猜想。光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象只是特定頻率與強(qiáng)度的外電場(chǎng)（光）與金屬材料相互作用的具體表現(xiàn)之一。而黑體輻射強(qiáng)度與頻率間的關(guān)系也只是固體材料在特定溫度條件下的自發(fā)光與分子熱運(yùn)動(dòng)方式間的關(guān)聯(lián)性現(xiàn)象。這些現(xiàn)象無不與外電場(chǎng)性質(zhì)與材料的自身特性直接相關(guān)。并不需要什么光子、能量子來解釋它們。

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總結(jié)

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