事物运动的状态和方式是谁提出的_金属材料在电磁场中的行为方式及其与光电效应的关系分析...

作者：彭晓韬

日期：2020.04.08

[文章摘要]：金属材料具有导电、电热等特殊性能，其物理性质被广泛用于人类的生产和生活中。但金属材料在电磁场中的行为具有的某些特殊性与复杂性并未得到充分的、系统性的阐述与研究，以致于目前物理学界对其的全面性、特殊性的认识程度还有待加强与提高。本文就此提出一些粗浅的建议供有条件的专家学者们参考。

一、金属的主要特点

除以上特点外，金属还有最重要的二大特点：导电与导热。也就是在外部电场与磁场的作用下或自身热运动作用下，金属中的最外导电子可以定向流动或将动能传递给邻近分子。

二、电磁场的基本特性

1、电场的基本特性

1.1、时间特性：可分为恒定电场与时变电场。

1.2、空间特征：点电荷产生的电场之强度随距离的平方反比衰减。

1.3、频率特性：可分为连续谱与非连续谱。

1.4、场源特性：可分为点源、线源、面源与体源。

1.5、动力特性：可使带电体改变运动状态（加、减速）。

2、磁场的基本特性

磁场的基本特性与电场基本相似，只是动力特性有所不同：不能使带电体改变运动速度，只能改变其运动方向。

三、金属材料在电场中的基本行为方式

1、在恒定电场中的行为方式

如上图一所示：在均匀的恒定电场中，金属板表面靠近正极的一侧会聚积负电荷（电子）。而在靠近负极的一侧会聚焦正电荷（失去电子）。金属板表面的电荷分布状态正好以抵消外部电场并直接导致其内部的电场强度为0。

2、在非恒定电场中的行为

2.1、决定金属板在非恒定电场中行为的主要因素

2.1.1、金属中原子最外层电子的运动速度的影响

虽然金属中原子最外层的电子相对内层电子更自由且可在邻近不同原子间相互交替运动，其运动轨迹并非仅围绕单个原子核运动。但其运动速度的大小是影响其在外部电场中改变运动状态的主要因素之一。当外部电场的变化周期远大于电子从金属板的一侧运动到另一侧（或从原子核一侧运动到另一侧）所需的时间时，电子就很容易跟上外部电场的变化速度而保持金属表面的电荷分布满足其内部电场强度为0的状态。当外部电场的变化周期远小于电子从金属板的一侧运动到另一侧（或从原子核一侧运动到另一侧）所需的时间时，则金属表面的电荷分布就不能满足其内部电场强度为0的状态。就会出现外电场在金属板内传递的现象。

2.1.2、外电场的强度影响

当恒定的或单个周期内的外电场的强度不足以使电子加速到逃逸原子核及金属对电子的束缚时，金属中的电子只会改变其运动状态和空间分布，以阻止金属板内部的电场受到外电场的影响。当恒定的或单个周期内的外电场的强度足以使电子加速到逃逸原子核及金属对电子的束缚时，就会出现放电现象，甚至使金属板被氧化、烧蚀、气化等现象。如：高压静电放电、光切割、电焊、阴极射线管及电视机显像管等。

2.1.3、外电场的频率影响

当外电场的频率远小于电子围绕原子核的运动频率时，金属中的最外层电子就可以跟上外电场的步伐而改变运动状态；当外电场的频率远大于电子围绕原子核的运动频率时，则金属中的最外层电子就不能跟上外电场的步伐，只会在围绕原子核运动的一个周期内稍微改变原来的轨迹，总体上的运动轨迹不会有大的改变。而当外电场的频率与金属中的最外导电子围绕原子核的运动频率相近时，则虽然单个周期内的外电场的强度不足以使电子加速到逃逸原子核及金属对最外层电子的束缚，但经多周期持续（同步）加速后，金属中某些频率与相位合适的电子就会不断提高运动速度，当达到逃逸速度时，电子就会从金属板中逸出并成为光电子，即形成所谓的光电效应。

2.1.4、电子响应外电场变化能力的影响

电子在外电场中改变运动状态并不能完全与外电场的变化同步，会存在一定的滞后效应的。如下图二所示：外电场强度变化与电子速度变化的起始与峰值时间并不相同。存在一定的时间差△t。如果是质量更大的质子在变化的电场场中，其△t值应该远大于电子。

当外电场的周期远大于电子的滞后时间△t时，电子的运动状态变化就会与外电场的变化趋势基本同步；当外电场的周期小于电子的滞后时间△t时，则电子的运动状态就跟不上外电场的变化步伐，也就会出现电子不随外电场的变化而变化了。X和r射线穿透金属材料就是因为此原因所致。

2.1.5、金属原子电子层数及最外层电子数量的影响

当金属原子的电子层数越多，最外层电子受到原子核的约束力就越小，电子在外电场作用下更容易改变运动状态；

当金属原子的最外层电子数量越多，最外层电子受到原子核的约束力就越大，电子在外电场作用下更不容易改变运动状态。因为在忽略原子内层电子的影响后，最外层电子受到的原子核的约束力是与最外层电子数成正比的。也就是在原子的内层电子抵消后，原子核剩余的正电荷量与最外层电子数量一样多，因此导致最外屋电子受到的力与最外层电子数量成正比。这也是为什么非金属与金属在同样强度的外电场作用下，最外层电子不能随心所欲的原因所在。也是导体与绝缘体存在导电性差异的本质因素所在。也是但当外部电场强度足够大时，绝缘体一样可以被烧毁或击穿的原因所在。也就是只要外电场的强度足够大并达到让绝缘体的外层电子达到逃逸速度，一样会出现光电效应！

2.1.6、温度的影响

按照普朗克黑体辐射公式可知：当金属板的温度越高时，其电磁辐射强度峰值所对应的频率也越高。这表明随着温度的变化，金属板中的原子和分子的热运动速度也会发生变化。这样肯定会导致在同样的外部电场作用下，金属板的行为有所不同。

2.1.7、原子与分子热运动速度的影响

按照普朗克黑体辐射公式可知：当金属板的温度一定时，其电磁辐射强度与频率间的规律是类似正态分布的连续变化曲线，说明金属板内部的原子与分子的热运动速度是不同的且同速度的原子数量与分子热运动频率间的关系也是呈现连续的、有规律性的变化的。因此，当遇到外部电场时，对金属板内不同运动速度的分子与原子的影响是不尽相同的。

2.1.8、外电场与原子中电子绕核运动初相位差的影响

当外电场与电子绕核运动的初相位差不同时，电子受到外部电场的作用后，其运动变化趋势也将不同。相位差小时可能出现加速运动，而相位差接近半周时可能就会出现减速运动。

2.2、单一频率的外电场条件下金属板的行为

从上面简述的决定金属板在不恒定外电场中行为的八大因素可知：金属中的最外层电子（实际上，内层电子和原子核也会受到波及）的行为受到其自身的运动状态（运动速度、方向、绕核频率、初相位）与外部电场的振幅（强度）、方向、频率、初相位等的共同作用。这八大因素的具体组合方式是决定金属板在外电场中的行为的客观因素。由于这八大因素的组合方式有无限多种可能性，这也就决定了金属板在外电场作用下会有无数多种行为方式。这也体现出了客观事物的复杂性与多样性。

具体而言，当外电场为单一频率时，则减少了金属板在外电场作用下的行为方式样式：

2.2.1、当外电场强度小于单个周期内可使金属板内最外层电子逃逸时

当外电场的频率为0时，即为恒定电场条件下的情形，金属板内部的电场强度为0，靠近正极一侧表面分布负电荷（电子），另一侧则分布正电荷（失去电子）；

当外电场频率小于金属板内最外层电子绕核运动频率的最小值时，外电场只能改变最外层电子的绕核运动轨迹，不能使其脱离金属板；

当外电场频率位于金属板内最外层电子绕核运动频率最小值与最大值（不同电子的绕核频率不尽相同，存在一定的区间）之间时，外电场不仅能改变最外层电子的绕核运动轨迹，而且可以使部分频率与相位合适的电子得到同步加速并逃逸出金属板成为所谓的光电子而产生光电效应；

当外电场频率大于金属板内最外层电子绕核运动频率的最大值时，外电场只能改变最外层电子的绕核运动轨迹，不能使其脱离金属板。

2.2.2、当外电场强度大于单个周期内可使金属板内最外层电子逃逸时，任何频率的外电场均可以使金属板被氧化、烧蚀、击穿甚至气化。

2.3、非单一频率的外电场条件下金属板的行为

在此种条件下，金属板的行为会比单一频率时复杂得多。但可以按照叠加原理，将非单一频率的外电场分解为由一系列单一频率的外电场的效应的叠加结果。

四、光电效应的本质因素分析

上一节已经提及了光电效应的发生条件，即当外电场的强度小于单个周期内可使金属板中最外层电子脱离金属板，并且外电场的频率大于电子绕核运动频率的最小值（红限）并小于电子绕核运动频率的最大值（我们暂且称其为紫限）时，金属板中某些相位和频率合适的最外层电子就会得到同步加速，当达到逃逸金属板的速度后就会离开金属板并成为光电子。

五、结论

从以上分析可知：金属材料在外电场中的行为方式不仅与外电场的强度、频率、方向和相位有关，也与金属板内最外层电子的绕核运动速度、频率、相位、方向以及最外层电子数量及电子层数等各种因素有关。每种因素又有很多种影响方式，其组合方式的多样性、复杂性是决定金属材料在外电场中行为方式的多样性、复杂性的根本原因所在。但从根本上讲：由于磁场只能改变带电粒子的运动方向，并不能使其变速运动。因此，决定金属材料在外部电磁场中的行为方式主要由外电场的性质与原子中电子的运动规律共同决定。这也是微观世界的运动规律主要由电磁力决定的具体体现。只要用电磁场决定微观世界运动规律的观点去审视，就不会出现唯心的、不符合客观实际的各类假说与猜想。光电效应、康普顿效应等现象只是特定频率与强度的外电场（光）与金属材料相互作用的具体表现之一。而黑体辐射强度与频率间的关系也只是固体材料在特定温度条件下的自发光与分子热运动方式间的关联性现象。这些现象无不与外电场性质与材料的自身特性直接相关。并不需要什么光子、能量子来解释它们。

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总结

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