作者：彭曉韜

日期：2020.04.08

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

一、金屬的主要特點

除以上特點外，金屬還有最重要的二大特點：導電與導熱。也就是在外部電場與磁場的作用下或自身熱運動作用下，金屬中的最外導電子可以定向流動或將動能傳遞給鄰近分子。

二、電磁場的基本特性

1、電場的基本特性

1.1、時間特性：可分為恒定電場與時變電場。

1.2、空間特征：點電荷產生的電場之強度隨距離的平方反比衰減。

1.3、頻率特性：可分為連續譜與非連續譜。

1.4、場源特性：可分為點源、線源、面源與體源。

1.5、動力特性：可使帶電體改變運動狀態（加、減速）。

2、磁場的基本特性

磁場的基本特性與電場基本相似，只是動力特性有所不同：不能使帶電體改變運動速度，只能改變其運動方向。

三、金屬材料在電場中的基本行為方式

1、在恒定電場中的行為方式

如上圖一所示：在均勻的恒定電場中，金屬板表面靠近正極的一側會聚積負電荷（電子）。而在靠近負極的一側會聚焦正電荷（失去電子）。金屬板表面的電荷分布狀態正好以抵消外部電場并直接導致其內部的電場強度為0。

2、在非恒定電場中的行為

2.1、決定金屬板在非恒定電場中行為的主要因素

2.1.1、金屬中原子最外層電子的運動速度的影響

雖然金屬中原子最外層的電子相對內層電子更自由且可在鄰近不同原子間相互交替運動，其運動軌跡并非僅圍繞單個原子核運動。但其運動速度的大小是影響其在外部電場中改變運動狀態的主要因素之一。當外部電場的變化周期遠大于電子從金屬板的一側運動到另一側（或從原子核一側運動到另一側）所需的時間時，電子就很容易跟上外部電場的變化速度而保持金屬表面的電荷分布滿足其內部電場強度為0的狀態。當外部電場的變化周期遠小于電子從金屬板的一側運動到另一側（或從原子核一側運動到另一側）所需的時間時，則金屬表面的電荷分布就不能滿足其內部電場強度為0的狀態。就會出現外電場在金屬板內傳遞的現象。

2.1.2、外電場的強度影響

當恒定的或單個周期內的外電場的強度不足以使電子加速到逃逸原子核及金屬對電子的束縛時，金屬中的電子只會改變其運動狀態和空間分布，以阻止金屬板內部的電場受到外電場的影響。當恒定的或單個周期內的外電場的強度足以使電子加速到逃逸原子核及金屬對電子的束縛時，就會出現放電現象，甚至使金屬板被氧化、燒蝕、氣化等現象。如：高壓靜電放電、光切割、電焊、陰極射線管及電視機顯像管等。

2.1.3、外電場的頻率影響

當外電場的頻率遠小于電子圍繞原子核的運動頻率時，金屬中的最外層電子就可以跟上外電場的步伐而改變運動狀態；當外電場的頻率遠大于電子圍繞原子核的運動頻率時，則金屬中的最外層電子就不能跟上外電場的步伐，只會在圍繞原子核運動的一個周期內稍微改變原來的軌跡，總體上的運動軌跡不會有大的改變。而當外電場的頻率與金屬中的最外導電子圍繞原子核的運動頻率相近時，則雖然單個周期內的外電場的強度不足以使電子加速到逃逸原子核及金屬對最外層電子的束縛，但經多周期持續（同步）加速后，金屬中某些頻率與相位合適的電子就會不斷提高運動速度，當達到逃逸速度時，電子就會從金屬板中逸出并成為光電子，即形成所謂的光電效應。

2.1.4、電子響應外電場變化能力的影響

電子在外電場中改變運動狀態并不能完全與外電場的變化同步，會存在一定的滯后效應的。如下圖二所示：外電場強度變化與電子速度變化的起始與峰值時間并不相同。存在一定的時間差△t。如果是質量更大的質子在變化的電場場中，其△t值應該遠大于電子。

當外電場的周期遠大于電子的滯后時間△t時，電子的運動狀態變化就會與外電場的變化趨勢基本同步；當外電場的周期小于電子的滯后時間△t時，則電子的運動狀態就跟不上外電場的變化步伐，也就會出現電子不隨外電場的變化而變化了。X和r射線穿透金屬材料就是因為此原因所致。

2.1.5、金屬原子電子層數及最外層電子數量的影響

當金屬原子的電子層數越多，最外層電子受到原子核的約束力就越小，電子在外電場作用下更容易改變運動狀態；

當金屬原子的最外層電子數量越多，最外層電子受到原子核的約束力就越大，電子在外電場作用下更不容易改變運動狀態。因為在忽略原子內層電子的影響后，最外層電子受到的原子核的約束力是與最外層電子數成正比的。也就是在原子的內層電子抵消后，原子核剩余的正電荷量與最外層電子數量一樣多，因此導致最外屋電子受到的力與最外層電子數量成正比。這也是為什么非金屬與金屬在同樣強度的外電場作用下，最外層電子不能隨心所欲的原因所在。也是導體與絕緣體存在導電性差異的本質因素所在。也是但當外部電場強度足夠大時，絕緣體一樣可以被燒毀或擊穿的原因所在。也就是只要外電場的強度足夠大并達到讓絕緣體的外層電子達到逃逸速度，一樣會出現光電效應！

2.1.6、溫度的影響

按照普朗克黑體輻射公式可知：當金屬板的溫度越高時，其電磁輻射強度峰值所對應的頻率也越高。這表明隨著溫度的變化，金屬板中的原子和分子的熱運動速度也會發生變化。這樣肯定會導致在同樣的外部電場作用下，金屬板的行為有所不同。

2.1.7、原子與分子熱運動速度的影響

按照普朗克黑體輻射公式可知：當金屬板的溫度一定時，其電磁輻射強度與頻率間的規律是類似正態分布的連續變化曲線，說明金屬板內部的原子與分子的熱運動速度是不同的且同速度的原子數量與分子熱運動頻率間的關系也是呈現連續的、有規律性的變化的。因此，當遇到外部電場時，對金屬板內不同運動速度的分子與原子的影響是不盡相同的。

2.1.8、外電場與原子中電子繞核運動初相位差的影響

當外電場與電子繞核運動的初相位差不同時，電子受到外部電場的作用后，其運動變化趨勢也將不同。相位差小時可能出現加速運動，而相位差接近半周時可能就會出現減速運動。

2.2、單一頻率的外電場條件下金屬板的行為

從上面簡述的決定金屬板在不恒定外電場中行為的八大因素可知：金屬中的最外層電子（實際上，內層電子和原子核也會受到波及）的行為受到其自身的運動狀態（運動速度、方向、繞核頻率、初相位）與外部電場的振幅（強度）、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作用下會有無數多種行為方式。這也體現出了客觀事物的復雜性與多樣性。

具體而言，當外電場為單一頻率時，則減少了金屬板在外電場作用下的行為方式樣式：

2.2.1、當外電場強度小于單個周期內可使金屬板內最外層電子逃逸時

當外電場的頻率為0時，即為恒定電場條件下的情形，金屬板內部的電場強度為0，靠近正極一側表面分布負電荷（電子），另一側則分布正電荷（失去電子）；

當外電場頻率小于金屬板內最外層電子繞核運動頻率的最小值時，外電場只能改變最外層電子的繞核運動軌跡，不能使其脫離金屬板；

當外電場頻率位于金屬板內最外層電子繞核運動頻率最小值與最大值（不同電子的繞核頻率不盡相同，存在一定的區間）之間時，外電場不僅能改變最外層電子的繞核運動軌跡，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生光電效應；

當外電場頻率大于金屬板內最外層電子繞核運動頻率的最大值時，外電場只能改變最外層電子的繞核運動軌跡，不能使其脫離金屬板。

2.2.2、當外電場強度大于單個周期內可使金屬板內最外層電子逃逸時，任何頻率的外電場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條件下金屬板的行為

在此種條件下，金屬板的行為會比單一頻率時復雜得多。但可以按照疊加原理，將非單一頻率的外電場分解為由一系列單一頻率的外電場的效應的疊加結果。

四、光電效應的本質因素分析

上一節已經提及了光電效應的發生條件，即當外電場的強度小于單個周期內可使金屬板中最外層電子脫離金屬板，并且外電場的頻率大于電子繞核運動頻率的最小值（紅限）并小于電子繞核運動頻率的最大值（我們暫且稱其為紫限）時，金屬板中某些相位和頻率合適的最外層電子就會得到同步加速，當達到逃逸金屬板的速度后就會離開金屬板并成為光電子。

五、結論

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

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總結

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