Question

用洛仑兹力解释光电效应

Answer 1

光电效应是一种神奇的物理现象。用高于某特定频率的 光 照射某些物质表面时，这些物质的内部电子弹出而形成电流，即 光 电效应。

光电效应 由德国物理学家 赫兹 于1887年发现。爱 因斯坦从光的粒子性对光电效应 作出了解释。

爱因斯坦认为，光的能量不是连续的，而是一份一份的，光子的能量大小由光的频率决定，与光强度无关，并认为电子与光子相撞时吸收了光子的能量，当电子的动能超过金属表面逸出功时，就能飞出金属表面。这个观点有二点可疑。一是频率高的光能量大不科学。光也有致热效应，即光照金属板时，金属会发热。这时光的能量是红外线比可见光携带了更多的能量，并非与频率成正比；二是频率高的光打出的光电子具有较高的动能，不一定是光对电子进行了加速。因为光的能量提高电子的速度，只能让外层电子飞向金属内部（核外电子绕核速度越快，越趋近于原子核）。

光的波粒二象性，超出了人类的认知，也自相矛盾。微观世界的物理规律与宏观世界的物理规律一致时更能得到多数人的认可。

用光的波动性能更好地解释光电效应。

我们用洛仑兹力来解释光电效应。光是电磁波，起码含有磁场强度的波动，即磁场强度的变化。电子绕核转动，相当于电子在原子核周围的磁场里运动。当光的半波长远大于原子直经时，光波的半周期磁场与原子核周围的磁场叠加后仍是一个匀强磁场，电子在这个磁场中运动，由洛仑兹力可知电子绕核运动的速度不会改变，仍会绕核旋转。光强变化只会影响电子离核的远近，不会改变方向而飞出金属表面，即不会发生光电效应（如果光强足够强大，光波中的磁场强度足以使原子核周围的磁场弱到一定程度，由洛仑兹力可知，电子绕核轨道半径会越来越大，大到一定程度应该也会发生光电效应。这只能通过实验验证）。当光的频率提高时，因光速不变，所以光波中的半个周期磁场尺寸短于原子直径时，原子核周围磁场叠加光波中的磁场后已不是匀强磁场，电子受洛仑滋力作用改变运动方向不再绕核作圆周运动，而飞出金属表面，发生光电效应。随着光频率的进一步增加，光波波长变短，叠加磁场均匀段的长度变短，外层电子因连续二次转向不再飞出金属表面。离原子核近的电子发生光电效应，所以逸出的电子的速度更快（离核近的电子速度高于离核远的电速度），动能更大。

这样解释更科学，同时肯定了光的波动性，否定了波粒二象性。