认识电子 长期以来，人们在实验中测得电子带s有一定量的负电荷、有一定的质量，普遍认为电子是一种粒子。

　　什么是电子？"电子既是粒子，又是波；电子既不是粒子，又不是波"这就是现代书本上的定义!书中亦不否认这是一个有悖逻辑的定义。这逻辑混乱的定义堂而皇之地呈现在科学殿堂，使无数学者陷入困惑之中。
　　大自然创造了世上的万物和我们人类,世上万物都是按一定的逻辑规律发生、发展、运动、变化。于是也就造就了人类的逻辑思维，按照逻辑思维，人类取得了一个又一个的伟大进步。然而逻辑在此遇到了麻烦。
　　为什么会出现这样一个既是又不是、有悖逻辑的定义？这是从实验中得来的！其中较为著名的是托马斯·杨的双缝实验。
　　实践是理论的本源，人们往往是依据物质外在的各种实验特性，加上逻辑推理和哲学联想。来探究其内在的连接、构成。这样的研究的难度是很大的，稍有疏忽就会导致理论上的失误。
在电子的双缝试验中，电子束发生衍射，电子在靶上的落点形成了波状的同心圆。这是非常典型的波干涉现象！事实摆在眼前不容怀疑，作何解释？于是就认定电子又带有波的性质，人们不得不违心地给出了上述定义。爱因斯坦老年时也感到这一理论的别扭，力图改变它，可惜烈士暮年壮心未已。
　　有人说此时的粒子是非经典的粒子、波是非经典的波。可惜我们人都是经典意义上的人，思维是平常的思维。为什么正常的逻辑思维到了微观领域就不适用了？湖南科技出版社翻译出版了一本英国科普读物《原子中的幽灵》。书中对波或粒子莫衷一是。是原子中存在着幽灵，还是人们的认识有了疏忽或偏差？答案应该是后者！

　　电子运动伴生着磁场 自从１８世纪人类发明了电，随即就发现了电的磁现象，电和磁二者相依相存密不可分，这种现象在中学物理中已有详尽的表述，直流电周围伴生着磁场已被无数个实验所证明：小磁针的偏转，同向导线相斥、异向相吸……。（图10-１）在直流电路中，只要电路导通（电子定向移动），导线周围的小磁针立即发生偏转--外磁场立即发生。即：电子运动伴生着磁场。
　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图10--１

　　还有，运动的电子在磁场作用下能发生偏转（正因为此，我们才有电视显像管），电子的运动为什么能发生偏转？事实告诉我们，磁场并不能对一般粒子起作用，磁场只能对磁性（或可磁化）物质产生作用。磁场能使电子运动发生偏转，这说明电子在运动时伴生着磁场，即，电子是粒子，电子在运动时伴生着电磁波。
　　粒子和波是不同的概念，电子既不可能二者都是，也不应该都不是。我们不要去刻意其中选择，然而这样的伴生则是完全可能的、经常发生的。物质运动时，周围伴生着其运动信息是自然界普遍现象。人们用钳形电流表测量的是电磁的感应，得到的是电子的流量。
　　我们可重做上述双缝实验，所有装置完全相同，只是在电子运行的路径上设置电磁检测装置，我们应该在飞去的电子周围检测到电磁波（图10-１Ｂ），小磁针将发生偏转。电磁波从何而来？这是电子的运动伴生着电磁波。所有的运动的电子都伴生着电磁波，这些波相互干涉，扰动了伴波运行中的电子，使其偏离原来的方向，冲向了靶的不同位置。在这个实验中，电子就是在其伴生的电磁波之间随波逐流到达靶面，形成干涉亦在情理之中。
　事实上，这种伴生现象在自然界比比皆是屡见不鲜。如：船是实体，船在水中航行伴生着波浪，同时，船又在波浪中起伏，我们能够测定船的振幅、频率，你能说船就是波吗？设想一个看不见波浪、把船看成粒子的巨人，当他测得?quot;粒子"的振幅、波长，他很有可能把"粒子"看成既是粒子又是波。
机械运动伴生着振动。如：火车是物体（粒子），其运行时伴生着轰隆隆的响声（波），人们在铁路附近听到了轰隆隆的响声，知道火车来了。此刻的火车是粒子（实体）还是波？
　　运动着的物体及其伴生的波是一个系统。人们不应抛开系统而用单向思维，把一个关联的体系刻意去捏合或分开。就像太阳（实体）和阳光（波）一样，没有太阳，阳光（波）从何而来？一个没有阳光的太阳还能叫太阳吗？此时，有人定义：太阳既是天体又是电磁波。（因天体和电磁波是不同的概念，于是又加上一句：）太阳既不是天体又不是波。其荒谬则不言而喻了。
　　同理，运动着的电子及其伴生的波是一个微观的系统。正是因为运动着的电子伴生着波，所以电子电子能够长期稳定地绕着原子核运转，而不致于呈螺线落进核内。如果把电子仅仅看成一个粒子，而忽略了其伴生的波，那么就会得出核外电子会落入核内；电子的运转速率超过光速的荒谬结果。
　　伴生是自然界普遍现象，从宏观宇宙天体到微观质子电子，无不存在着伴生状况。在现实世界，一切运动的物体都伴生着信息：抛出一个石子，就伴生着质量，方向、角度、初速度、加速度、轨迹、落点等多种信息。前面所讲的火车，除了伴生着响声外，还伴生着车次、车速、车况、行车里程、燃料状况等诸多信息。再看我们人生，一个人一出世就伴生着出生日期、父母姓名、家庭住址，接着就有了自己的姓名、就读的学校、学历、文凭、兴趣、爱好、身份证号码、电话号码……。
　　用伴生的观点看待事物，看待粒子和波，符合事实、符合逻辑、符合哲理，显然比那种"既是又不是"有理有利。伴生是用系统的观点看待事物，看待事物的运动、看待事物的联系、反映事物的客观实在，它能逻辑清晰地把观测到的事实普遍联系起来，丝毫没有牵强和矫揉，并能综合解释一个广泛的领域。

　　物质中的电子 在真空中的电子是粒子，运动的电子伴生着波。同样，物质中的电子也是粒子，物质中运动的电子依然伴生着波。在物质中，电子围绕着原子核高速运转，形成了物质中运动变化最积极最活跃的因素。其运转的线路、速率及运转时伴生的电磁波决定了物质的各种特性。
　　加热一根金属棒，开始发红光，然后依次变成橙色、黄色、白色、和蓝白色。离开热源，金属棒逐渐降温，颜色也由蓝白色逐渐变黄变红，最后颜色消失，继续辐射着红外线。这种颜色的变化与光波（电磁波）自然频率的逐渐变化完全对应！这不是巧合，这说明金属棒内一定有物质运动时辐射着电磁波，而且，其运动的速率随着温度而变化，于是就有了这有规律的色温变化，这就是物体中核外电子的运动。金属棒的这种在相同温度下有相同波长的电磁波的辐射，就昭示着物质内核外电子运动的线路、速率是整齐一致的，是极有规律的。而且同样的规律在非金属物质也有体现。
　　不同物质，其质子数与电子数随元素周期顺序变化，每一原子的核外电子数是一定的，并且是按能级轨道准确分布的，以一定速率在各自的轨道上和谐运转，能吸收或辐射一定频率的电磁波，且运转速率及线路能随外界温度和压力变化。这样的核外电子的运转构成了世间万物，形成了万物的不同特性及变化。
那种电子既是粒子又是波，既不是粒子又不是波的理论，给出了电子的波粒二相性。从而就导致了电子的运动的线路是模糊的；速率是不确定的；研究电子的运动线路、速率是没有意义的，研究电子运动只有用统计方法，这种方法所能得到的结果，背离了物质运动的客观实在。这样的理论不能解释金属棒在高温条件下的光色的变化。二相性的理论是生涩、缪误的，不过它有一个美丽的光环--徉缪。
　　由电子的二相性理论进而得出物质中的电子都只是"电子云"。电子如云，那么，电子以何种线路运转、转快转慢都是没有意义的。这样一来，就把物质的运动与物质的性质完全割裂开来，使探寻工作迷失了方向。
　　不同物质，其质子数与电子数随元素周期顺序变化，内层电子与价电子在不同的轨道上运转，且运转速率及线路能随外界温度和压力变化，从而构成了世间万物，形成了万物的不同特性及变化。

　　光是什么？"光既是波又是粒子，光有二相性"，写在目前的教科书上，书中亦不否认这是一个有悖逻辑的定义。常识告诉我们：波是连续延伸的；粒子是单个独立的，既是波又是粒子的提法是与逻辑相悖的。这逻辑混乱的定义堂而皇之地呈现在科学殿堂，使无数学人陷入困惑之中。
是的，二相性的提法能对许多自然现象作出解释，不少的解释是合情合理的。因为光本身就是电磁波，用电磁波解释光的行为是不会错的。电子本身就是运动着的带电粒子，用粒子解释电子行为是没有问题的。于是这一套理论得以生存、发展至今。
　　但是把二者混淆起来，说光既是波又是粒子，则使波、粒概念模糊。光何时起波的效应？何时起粒子作用？学说中说这要按需要而定，因为有这个按需要而定，所以此理论用起来十分方便，亦能解释许多问题。这叫人想起了孙悟空的金箍棒，可大可小、可长可短，按需要而变。这样的确带来了许多方便。当孙悟空变成一只小苍蝇时，一万多斤的金箍棒哪里去了？这一问题，几岁的小孩也能作出合乎情理的解释。但是，坦诚的自然不会变戏法，研究科学毕竟不是写神话小说。

　　光波还是光子 在300年前的牛顿时代，学者们看到光能通过很小的窄缝小孔，光总是沿直线运动，普遍认为光是一种微小的粒子。到了二十世纪初，人们发现了电磁现象，逐步认识到光是一种电磁波。同时人们发现，很难证明直线运动就是粒子的属性。宇宙之间的粒子大至星球，小至电子、质子都是旋转着、作曲线运动，就是射出的子弹时也必须仰仗着旋转（一种振动）才能直线运行一段。倒是波总是均匀向四周发散，沿着发散的角度维持原直线运动。波是在连续的振动中维持了其直行的平衡、稳定，直线运动恰恰是波的属性。光是直线传播的，恰恰说明光是一种波。
　　经过300年的争论，到了十九世纪初，光的波长、频率、干涉、衍射等波的特征已被人们精确测量或观察到，光且具有波的一切性质，已被无数实验和事实所证明，1801年终于有了结论--光就只是电磁波。

　　光电效应的困惑 但是，不久人们发现了光电效应，一定频率的光照射在某些金属物体上，能产生电流。光照产生了电流，这是个事实，光照为什么能产生电流？电子是一个微小的带电粒子，它在物质中不停地绕着原子核运转着。电流是电子的定向运动。而光是有一定波长的电磁波，光怎么能、又是怎么样驱使电子使它定向运动？
　面对新问题，有人就回想到上一世纪的争论。设想光也是粒子，一束光带着无数粒子，冲到金属表面，把核外电子敲打出来，形成了光电效应。这样，光电效应发现后，光波又摇身一变，成了粒子。不过，这一次的粒子理论并不能否定光的波动理论，于是就有了这光既是粒子又是波的二相性理论。
在光电实验中，一定频率的光照射在某些物体上，能产生电流，人们利用这一原理制成了光电管、电视摄像管、光电池等。
　　光电实验的装置如(图一A)所示：入射光通过石英窗照射到金属制成的阴极K上，使K释放出电子，电子飞向阳极A形成电流。光电实验有以下特征：
　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 10--2

1、频率特性：不同的金属，有其不同的极限频率，只有入射光超过其极限频率时光电效应才能发生。低于　　极限频率，再强的光也不能产生光电效应。(图一 表)
2、光强特性：在一定的光强下，外电压增加，光电流逐渐增大，达到饱和。入射光强，激发的电子较多，　　饱和电流较大。（图10-2 B）
3、瞬时响应：只要超过极限频率的光，即使很微弱，一经照射，光电效应立即发生。没有能量积聚的过程。
4、遏止电压：光电效应发生后，把电压减小到零，而此时的电流并不为零，（还有电子在流动！）只有加上反向电压，即加上一定的遏止电压才能使光电流减小到零。
　　囿于当时（直至今天）人们对物质结构认识的局限，认为原子的核外电子的运动是紊乱无章的；金属内是充满自由电子的。以上各条光电特性，用当时（现有）的经典理论是完全不能解释的，困惑在于：
　　1、经典理论认为：金属内充满着自由电子，当光照射在金属表面，光的强度越大，则电子获得的动能也越大。而实验表明光电子的初动能与入射光的强度无关。（有悖于光强特性）。
　　2、经典理论认为：金属内充满着自由电子，光电效应的产生与入射光的频率无关。而光电实验表明，只有当入射光的频率大于极限频率，光电效应才能产生。若入射光的频率小于极限频率，无论光强多大，光电效应都不能发生。（有悖于频率特性）。
　　3、经典理论认为：金属表面逸出电子所需的能量，是入射光的照射能量，当光强很弱时，光的能量需要有一定的时间积累，光电效应才能发生。（有悖于瞬时响应）。
当今，被人们鼎礼膜拜的爱因斯坦的光电理论，70年来广为传颂。光电实验的事实，及人们对物质结构了解的片面，使经典理论在此遇到了麻烦。为了解决光电效应与经典理论之间的矛盾，爱因斯坦先生提出了假设：光是无数微小的粒子----"光子"，光电效应中，电子是被"光子"敲打出来。光的频率越高、光子的能量越大。只有当光子的能量足够大（频率足够高），大于该物体的"逸出功"，光电效应才能发生，即著名的爱因斯坦光电方程。
　　这样，光电实验光强特性、频率特性、瞬时响应特性都得到了解释，又有了数学方程的佐证，光电效应的所有理论问题似乎都解决了，爱因斯坦因此而获得了诺贝尔奖。此前，爱因斯坦先生在相对论领域作出过重大的建树，享有崇高的声誉，于是，光电理论获得了广泛的传颂。人们就停止了对物质光电频率的探究，失去了探寻物质内电子运动的极好时机，也带来了迷茫--即二相性问题。
　　爱因斯坦先生提出的假设，光是无数微小的粒子----"光子"，是有依据的，这个依据就是普朗克的量子理论.黑体辐射的实验曲线说明，辐射是量子化的，事实正如第五《量子问题》所论述的：电磁波（光）的辐射是随核外电子的跃迁而形成，光波的量子化是客观事实。然而，一份一份的量子化的光波仍然是波，丝毫不能证明光就是粒子，更不是撞出电子的"光子"。
　　除了二相性困惑外，爱因斯坦先生的光电理论还留下了以下一些问题：
1、光电子的方向问题。 如果按爱因斯坦先生所设想的那样，光电效应中溢出的电子是在光子的撞击下发生的，那么产生的光电子应是沿着入射光子的方向运动,而事实是：产生的光电子不是顺着入射光，却是逆着入射光（图一 A），这样的碰撞是与自然常理格格不入的。
2、"逸出功"问题。 其实"逸出功"只是一个新名词，没有说明不同物质为什么有不同的"逸出功"，没能说明物体光电频率的实质。
3、甚高频率问题 爱因斯坦先生的光电方程显示，光的频率越高，"光子"的动能越大，光电效应越易发生。有条件的实验室可重作光电实验，频率过高，有些物体的光电效应反而会减弱直至停止。这种事实用光电方程是不能解释的。
4、遏止电压问题。 遏止电压由何产生？为什么外电压为零了，电子还在运动。没有了外电压，被碰出的电子应沿着入射光的方向运动，为什么事实正好相反。
5、逻辑一致性问题 现代教科书讲述光电理论，先是讲光子碰撞；遇到了方向问题就讲能量；（光强大能量就大）遇到能量问题就讲频率。给人的感觉像是在绕圈子，缺乏逻辑的一致性，也没有说清楚其间能量是如何传递的。
6、半导体光电问题 在几十年后，人们发现了半导体，光照射在半导体上能导电率大增，产生光电流，人们把这种事实叫作光电现象。目前人们最普遍使用的是硅半导体，硅不是金属，没有自由电子，其光电效应是如何碰撞、如何产生？现代的凝聚态物理用另一种理论来解释光电现象。然而好的理论应该综合一个广泛的领域。
　　以上的问题是客观实在，是令人困惑的。所以人们完全有理由对爱因斯坦光电理论进行反思，有理由去探寻与事实全面相符的光电原理。

　　光电原理 了解了物质、了解了物质的核外电子是在各自的轨道上绕着原子核按一定的速率有规律地运转，且在运转轨道的垂直面上伴生着电磁波。电子运转的速率就形成了这电磁波的频率，内层电子速率较高，外层电子速率较低，外层电子的运转速率，就是不同的金属所具有的的极限频率。
　　明确了物质结构，我们再回过头去看光电效应，前述经典理论的所有困惑都迎刃而解了，我们就可以心平气和地用经典的理论、用经典的思维去讨论和认识光电效应，用逻辑和理性来解释光电实验的所有特性。
光电效应的发生是光波与物质核外运转着的电子相互作用的结果。
1、频率特性：
　　因为金属内不存在自由电子，光电效应中的电子流不是"碰"出来的，而是共振"振"出来的。一定频率的光照在该物体上，照射光（电磁波）的频率与物体外电子运转所形成的电磁波的频率互相吻合，形成了共振，共振之下电子溢出，在电压的作用下换位移动形成电流，于是就形成了光电效应。
　　入射光的频率高，激发的是速率较高的内层电子，所以光电子的初动能较大。

2、甚高频率：
　　当入射光的频率更高，超过了内层电子运转伴生的电磁波频率，二者不能发生共振，故而把光的频率加至甚高频，光电效应将减弱直至停止。所以，不存在溢出功。
3、、光强特性：
　　共振的发生与光强（振幅）无关，只跟入射光的频率相关，所以低于极限频率，再强的光也不能产生光电效应。效应中溢出电子的动能，源于核外电子共振前绕核运转时的动能，也与光强无关，所以再强的光也不能增大电子的动能。
　　在一定的光强下，只有部分原子受到光波的激发，外电压增加，光电流逐渐增大，达到饱和。入射光强，激发的电子较多，饱和电流较大。
4、方向特性：
　　因为光电效应发生的原因不是碰撞，所以就不存在被撞后的运动方向问题。光电效应的发生是源于共振，共振出的电子向内运动阻力较大，所以只在阻力较小的受光面跳跃。在电场作用下形成电流。
表面电子跃出后，表面原子就向内部原子外围挪用电子，于是就造成了金属内层缺少电子。使验电器带正电；如果把验电器置于受光表面则会带负电。
5、瞬时响应：
　　因为光电效应发生的原因是共振，只要超过极限频率的光，即使很微弱，一经照射，光电效应立即发生。不需要能量积聚的过程，所以光电效应具有瞬时性。就像大声喊叫引发雪崩一样，二者的能量是不需成比例的，也不需要能量聚积。
6、遏止电压：
　　光电效应发生后，把外电压减小到零，然而光电流继续流动不止。这是因为在光波共振作用下，受光面电子继续跃出，表面原子继续向内部原子外围挪用电子，形成电流，只有外加一定的反向电压，光电流才能停止。于是就有了这遏止电压。
7、非金属的光电现象：
　　光电效应不是靠"光粒子"撞出"自由电子"的，所以光电效应在非金属物体中也能发生。许多没有"自由电子"的半导体物质在一定的频率的光的照射下，其导电能力大增，例如硅半导体。人们把硅产生的光电功能叫作光电现象，或叫作内光电效应，用另一种理论来解释，其实大自然不会把事情弄得那么复杂，光电效应和光电现象的原理是一样的，都是光波对运转的核外电子所形成的共振。
　　在光电现象中，原子一定频率的光波对运转中的硅原子的外层电子形成共振，共振之下电子的运动发生紊乱，造成了电子运转的拥挤和等待，在等待之时形成了电子空位，外来电子在空位间穿行，使硅的导电能力大增。

　　大家都知道我国古代有一器皿叫鱼洗（也有叫龙洗）。用湿手摩擦其两个上柄时，盆体振动，盆中水受激振动，从水面跳出近 20 厘米高的小水珠。这些小水珠不是用什么东西碰出来的，也不是靠什么粒子打出来的，而是由于用手摩擦后盆的振动频率与水的振动频率一致，形成了驻波振出来的。鱼洗现象中跳出水珠的高度并不是与力气大、频率快成正比，也存在着频率特性、振幅特性、瞬时特性。光电现象情同此理，也是振出来的：入射光的频率与物质内电子的运转频率一致，在物质内形成驻波，使运转的电子共振，脱离了原轨道，在电压的作用下定向移动形成电流。
　　在有条件的实验室可以做以下实验：在测试某种材料的截止频率时，改变材料的温度、压力，即加快或降低材料的电子速率，这样将能使截止频率有所改变。笔者推测：温度、压力增加，材料的核外电子速率增加，这时其光电效应的截止频率将有所增加。

　　光化学现象 除了光电效应之外，光还能使某些在黑暗中不能进行的化学反应变为可能、而且有的还迅速快捷。阳光能使塑料老化、布匹褪色、胶卷感光。这些反应中，有的是光与空气中的氧共同作用，反应缓慢进行；有的反应的原理与光电效应的原理完全相同，如胶卷的感光，及某些光敏化学药品，其与光的反应十分迅捷。
　　在这后一反应中，光照电磁波的某些频率与物体中某些价和电子的频率一致，光波的某些频率与价电子的电磁波形成共振，振开了某些结构元，价电子在其间重新组合，构成新的结构元，形成新物质。在光波的促成下，这个光化学反应迅速地完成了。
　　在高中物理教科书中，把在微弱光线作用下，照片暴光所形成的局部斑点作为光的粒子性的证据，这是一种误导。在胶片感光反应中，入射光电磁波的某些频率与胶片表面光敏物质的核外电子的电磁波频率一致，形成共振，使一些光敏物质发生反应、重新组合，形成新物质，于是，在胶片上形成亮点。胶片上的感光材料也是物质，也有材质均匀、反应快慢、相互影响的事实。在微弱的光线作用下，光敏反应要么在某一局部（点）完成，要么就引不起反应，因而所形成效果是一些分散的小亮点。把局部分散的反应看成光波粒子性的证据是很幼稚的。 光电池 光电池实质上它是一种把光能转换成电能的转换器。由于光电池性能稳定、寿命长、不污染环境，所以越来越获得广泛的应用。人造卫星和星际空间站几乎全都是用太阳能电池为其提供电能；太阳能航标灯、信号灯已随处可见；太阳能汽车、小艇亦有不少的研制和试用；装有光电池的手掌计算器、游戏机也时有所见。
　　光电池的光--电转换原理相同于光电效应。现在，最常用的是硅半导体光电池，它是在N 型硅片上（单晶硅中加少量的五价的磷）用扩散法渗上薄薄一层硼，再配以电极制成。（图10--3） 在N 型硅片上有多出电子的趋势，而渗上的一层薄薄的硼则有缺少电子的趋势，在两种材料的结合处形成了PN 结。
图10--3
　　在阳光（或其它光）的照射下，某一频率的光波与硅、硼结构原中的价和电子运转的电磁波形成共振，振开了部分结构元，使电子运行紊乱，由于PN 结的单向导电性，紊乱的电子不断的由N 区移向P 区。移到P 区的电子在PN 结受阻挡，不能反向运动，这样，在P 区有多出电子，而在N 区则缺少电子，于是在N、P两极间产生了电动势，形成回路之后就能源源不断的进行电子的流动--形成电流。
　　由于阳光的频率带很宽，从红外到紫外光，而硅的价和运转频率相对较窄，阳光中只有一小部分频率的光波与光电池中的硅价和频率形成共振，所以光电池的效率不是很高。若要提高太阳能电池的效率，一是对部分光实行频率转换，二是在太阳能电池中综合多层其它价和速率的物质。
　　这样，在认识了物质、认识了物质核外电子的运转之后，所进行的光电效应的研讨，思维方式是经典的、前后逻辑是一致的、论证过程是理性的，所有的事实、过程与论证全面的相符不悖，没有任何牵强、造作，更没有幽灵。显然比那种"既是又不是"更具理性、更接近事实的本来面目，并能综合解释光电现象，涵盖一个广泛的领域。