光电效应与康普顿效应的一个悖论

光电效应和康普顿效应都是光的粒子说的试验验证。但是这两个效应的解释之中，存在着一个相互矛盾的悖论。若其中一个效应成立，另一个必不成立。

首先，我们先回顾一下物理学对两个效应的解释。光电效应是说，当光(射线)照射到金属表面时，会有电子逸出金属而形电流，该电子就称为光电子。有趣的是光电子的逸出只与光的频率有关，而与光的强度无关。也就是说，只有当入射光的频率大于某个值时，光电子才会逸出，否则，不管光的强度有多大，都不会有光电子逸出。爱因斯坦对光电效应作出了解释，并因此获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦认为光是颗粒－－光子，有一定的能量和动量。能量与光的频率成正比，动量与波长成反比。

E＝hν p＝h/λ

h为普克郎常量。爱因斯坦认为，在光电效应中，电子会吸收单个光子的全部能量，使其动能大于逸出功(原子核对电子的束缚)，才会逸出而成为光电子。电子不会吸收光子的部分能量，也不会同时吸收两个以上(含两个)光子的能量。因此，只有光子的能量(频率)大于某个阀值时，才会形成光电子，而被观测到光电效应。这是光的粒子说的坚强的实验验证，也是量子力学的基础。有了光的粒子说(波粒二相性)，才有德布罗意的物质波，之后才会有量子力学的诞生。但光电效应真的能够支持光的粒子学说吗？让我们来看看光子说的另一个有力实验验证。

1920年，美国物理学家康普顿在观察x射线被物质散射时发现，在散射的x射线中除了与入射的波长相同的射线外，还有波长比入射波长更长的射线，这种现象就叫做康普顿效应？由于对康普顿效应的研究成果，他也获得了1927年的诺贝尔物理学奖。康普顿对他的实验是这样解释的。当光子入射到物质的电子时，会与电子发生完全的弹性碰撞，在碰撞过程中会将光子的部分能量(请注意是部分能量)转移到电子身上，从而使自身的能量减少，频率降低，波长变长。所以，在康普顿效应中才会有比入射光子波长更长的散射光子。

请注意，光电效应中强调的是电子对单个光子能量的全吸收，只有全吸收才能解释光电效应中为什么只有频率大于某个阀值的光才能激发光电子。而康普顿效应强调的是电子对光子能量的非全吸收(部分吸收)，只有电子对光子能量的非全吸收，才会有康普顿效应。那么，请问同样是光(电磁波)入射而引起电子状态的改变，为什么有的必须是电子对光子能量的全吸收，有的是非全吸收？而且是两个效应中强调的最重要的条件，这不就是一个悖论吗？更可笑的是这两个效应是量子力学中，对光量子学说并列的，最重要的实验验证。它们之间的相互矛盾，会不会动摇光的量子说，从而动摇整个量子力学？！

在康普顿效应中，康普顿认为入射光对电子的作用是光子与电子的弹性碰撞；在光电效应中，爱因斯坦只是强调了电子对光子能量的全吸收，并未涉及光是如何作用于电子的。如果搞不清楚光是如何作用于电子的，那么就无法正确地解释光电效应和康普顿效应。要想搞清楚光是如何作用于电子的，就必须先搞清楚光是什么？

光是什么？我在同名《光是什么？》一文中有详细的描述，这里只做简要说明。在经典力学中，群所周知，光是电磁波。电磁波又是什么哪？电磁波是带电粒子振动所激发的波状的作用力场。它与电场，引力场一样都是物质受力作用的场。只不过这个电磁场波状传播的，带电粒子在其作用下作波状运动－－波动。正是这个波动力场的作用，才形成了物质粒子的量子特征。量子力学，为了解释量子的特殊力学特征，强行引入了光量子说，从而把光(或物质粒子)描述为波粒二相性。这虽然是对实验的总结，却经典力学与量子力学的逻辑联系，隔裂了物理理论的统一性。那么，如何用光的波动学说来解释光电效应和康普顿效应呢？

自然世界存在着做为背景存在的波动力场，波动力场的振动特征会使受其作用的实物粒子的时空特征(力学量)呈现出量子特征。这就是波动场对时空的分选性，正是这个分选性使实物粒子的时空量(力学量)表现出不连续性，叠加性以及测不准等等量子特征(具有机制，我在其它文章中有详细论述。这里不再详述。)在这个波动场作用下，原子核外电子在不同的，不连续的经典轨道为轴线的壳层上波动。电子的能量为每一壳层能量(经典轨道动能E′)加上电子的振动能E″。

E＝E′+E″

根据我的其它文章的研究，E′和E″与背景波动场的劲度系数k，或者波动频率ν成正比(或正相关)。虽然电子在不同壳层波动时的能量是不同的(不连续的)。但在其它条件相同时(同壳层，同轨道)，背景波动场的频率越高，其能量也就越大。电子的能量越大，原子核对它的约束力越差，电子越容易逸出而成为光电子。就象是绕地球运动的卫星一样，能量越大，越远离地球，地球对它的束缚力越小。当其能量越过某个阀值(宇宙速度)，卫星就会脱离地球的束缚而飞向太空，成为宇航之中的自由人造星体。电子也一样，当背景波动场的频率大于某个阀值时，电子的能量也会越过某个阀值，脱离原子核的束缚而成为自由电子。

正常情况下，在背景波动场的作用下，电子绕核形成稳定的壳层结构。因为背景波动场的作用强度不大(ν的频率不大)，电子不能逸出原子而成为自由电子。当光照射电子时，等于在背景波动场的作用前提下又附加了一个波动场的作用。由于光的作用远大于背景波动场的作用，因此原子的结构主要受入射光(波动场)的影响。电子的能量正比(正相关)于入射光的频率。当频率达到某一阀值时，电子的能量大于其逸出功，电子就会逸出而形成自由电子(光电子)。即使电子不能逸出，也会在入射光的激励下能量增加，使原子核对电子的束缚力变差而增强物体的导电性。这才是光电效应的正确解释。

至于康普顿效应，也可以以光的波动说正确解释。在康普顿效应中，部分入射波的波长不变，可以解释为未与物质(电子)发生作用。这部分不重要，重要的是还有部分散射波波长变了。这是个什么样的形成机制呢？我们知道，所有原子都有其独特的壳层结构，它与作用于它的波动场有关，也与其自身特征有关。比如，不同原子(元素)的光谱是不同的。当原子中的电子受到入射波的作用后，其能量会增加，壳层结构会变胖，但其量子特征不变(比如，不连续性等等)。电子受激发后，入射波作用后，电子会收缩到基态(背景波动场作用的状态)。相当于电子在振动，电子的振动会向外辐射电磁波。辐射电磁波的频率与激发态到基态的能量变化有关。辐射频率取决于散射物质的原子结构，与入射波的频率无关。因此，散射波的波长与入射波长不同。其实，这是个很常见的现像。比如，每个元素的光谱不同。在白光的照射下，不同物体的颜色也不相同。并且物体颜色与入射光无关，只与物体自身性质有关。物质的颜色不是反射了入射光的部分波长的光，而是其电子在被光激发后振荡而辐射的电磁波的波长决定的。

可见，光电效应和康普顿效应并不能作为光量子学说的实验证据。光是电磁波，是电子振荡的产物，反过来又作用于电子。世界是上帝的安排，也是思想的产物。真理来自于实践，也必须符合人的尺度。