爱因斯坦错得了诺贝尔奖
看《爱因斯坦错在哪里？》——光电效应的再讨论
量子力学是学习现代物理的第一道门坎，难教、难学、难理解。每个进入物理专业的学生都要历经量子力学的洗脑，达到波是粒子、粒子也是波的波粒二象性境界。要达到这种境界，要搁置理性，淡化逻辑，对熟悉经典物理的学生是一个痛苦的过程。人们为什么要冷淡逻辑和理性的经典物理，而去研发复杂深奥的量子力学？我们先来看看量子物理的来历。
100年来，由于电子云理论先入为主，学界无人关注物质核外电子的规律运动，忽视核外电子运动所伴生着的电磁波。形成了用无规律运动的电子云理论，来探讨规律运动着的物质，背离了物质运动的客观实在，造成了物理学的困惑，形成了物理学难以逾越的障碍。
自经典物理建立以来，学者们在宏观世界养成了量的连续无级的思想方法，面对黑体辐射出现的辐射量的不连续，陷入了深深的困惑；更有上世纪初，在向微观世界深入探讨中，探究者们相继做出了光电效应、康普顿效应、氢原子光谱等等当时经典物理难以解释的实验，导致了物理学（物质学科）的诸多茫然，促成了量子力学的建立和发展。
《量子力学》形成于20世纪20年代，针对经典物理的困惑，多位物理大师提出了新的猜想和假说，历经了激烈的思想的碰撞。与此同时，又不断地有新的实验出现，给一些新假说提供了有力的支持。于是在多位泰斗的假说堆砌、相互印证之下，《量子力学》应运而生。
量子物理兴隆了80年，经大师们的后续补充，有实验、有理论、有公式、有习题，自成体系。然而其间良莠交织，鱼龙混杂。虽然牵强难懂，暗藏不确定的危机，但泰斗之名如雷贯耳，其气势如虹，不容置疑。
需要说明的是：量子物理中,普朗克量子之说符合客观，是对的；电子的辐射跃迁是有级的,玻尔先生的氢原子假说是符合实在的；量子物理揭示了微观世界自然物质的一种基本特性——分立性或非连续性，理当予以肯定。泡利先生提出的不相容理论，经历了实践的检验，是应当遵循的原理。
正因为量子力学有这些对的成分，对的部分有实验、有事实，铮铮如铁。而错谬暗藏其间，因而有很大的蒙蔽性。
正因为夹杂谬误，底气不足。量子力学没有科学应有的逻辑、理性；没有精确、严谨的因果关系。公式复杂、结果又不准确，总有一只不知死活的猫藏身其中。（物理泰斗薛定谔为解释波、粒的不确定性所提出的著名的思想实验：在装有剧毒物品的铁箱内有一只猫，猫的死活是不确定的，用以解释物质是波、是粒子也是不确定的。因为有这种不确定性，有人戏称原子中存在着幽灵。）
有几个版本的《量子力学》的第一章，为了陈述本学科存在的前提和必要性，一般都要列举经典物理的五大困惑：（1）黑体辐射。（2）光电效应、康普顿效应。（3）原子塌陷。（4）原子光谱及能级规律。（5）固体与分子比热。这五大困惑实际上是五大实验，实验事实是不容置疑的。面对这些问题，经典物理无能为力、陷入困境，所以要抛弃经典另立量子力学。
需要指出的是，量子物理除了在“量”的思想方法上有所建树外，仍然延续着电子云、自由电子这些电子运动无规律的理论，并没有清楚地解决经典物理的问题。只是增加了波粒二象性等深层次的困惑、用物质波偷换电子运动所伴生的波，多了些复杂而又不准确的计算，走了一条更弯的弯路。
认真面对核外电子有规律的运动；认真面对核外电子的运动所伴生着的波；认真面对核外电子与周围环境的互动。我们会发现物质特性与核外电子规律运动遵循着逻辑和严谨。五大困惑都将迎刃而解。
黑体辐射
实验曲线 早在19世纪，随着炼钢工业的发展，科学界就开展了对辐射的精细研究，为了研究辐射，科学家精心设计并制作了一个装置——黑体辐射实验装置。
它的结构示意如图10-1A所示：在密闭的黑体内钻一小孔，黑体所蕴含的热仅只能由此小孔向外辐射。经过多次精细的实验，得到了图10-1B所示的在一定的温度条件下，辐射频率与辐射量之间关系的实验曲线。
面对这样的曲线，学者们发挥自己的数学才能，运用数学表达式来拟合这条曲线（即寻求一个数学表达式，如抛物线方程能画出抛物线；圆方程能作出圆一样。在此公式代入相应的值后，所绘制出的曲线与实验曲线相符）。其中著名物理学家普朗克所写出的数学表达式与实验曲线拟合得相当好，可以说是天衣无缝。但是，普朗克先生的公式中，代表能量的数值不能是连续的，而必须是一个最小值的整数倍，这个最小值就是普朗克常量。
图10-1
数学表达式一般是客观实在的反应，普朗克常量表达了微观世界的实在，它揭示了在微观世界，辐射能量是不连续的，辐射能量也不能是无限小，它必须是普朗克常量的整数倍，这给在宏观世界习惯于连续无级的常规思维带来了冲击，也就把科学带入到了量子时代。
物质的电磁波的辐射由何而来？是核外电子发生跃迁时向温度较低的外界辐射的电磁波，同时自身的速率降低一个档次。由于宏观的电磁波辐射是无数单个核外电子集合，而单个核外电子的每一次辐射是自身一次跃迁所发出的，是一份一份的，其能量的变化也是像阶梯一样，是一级一级的，所以是量子化的。
反之，当外界温度较高，无数个核外电子就一份一份地吸收外界辐射的电磁波，使自身运转的速率向高速跃迁，宏观的表现就是提升自身的温度。普朗克常数就是反应了这个客观实在。
普朗克的量子理论吸引了人们的注意，这条黑体辐射实验曲线正向人们揭示物质构成的信息。在这条曲线旁还有两条虚线，这是人们对曲线的拟合，更是对黑体辐射的猜想。
在图10-1B中，横坐标是辐射波的频率，纵坐标为单色辐出度（在某一频率下所辐射的能量）。实验曲线的开始段，随着辐射频率的增大，辐出度随之增大，于是就有人根据这开始段的趋势，按照已有的分子热运动理论（即温度越高，分子的振动频率越快），拟合了一条左边的虚线。若依照这条曲线，频率越高辐出度越大，当频率高到了紫外线或X射线，辐出度直线上升，如果事实真是如此，地球上的一切生物都要遭受灭顶之灾，在科学史上，人们戏称这条曲线为“紫外灾难”。幸亏事实上实验曲线到了中段变缓、变平，到了极大值辐出度随着频率的增大而下降。
“紫外灾难”曲线失败了，败在何处？有人说这是经典理论的失败，不对！这条灾难曲线是由当时的物质理论——分子的热运动理论推导而成。这正说明着分子的热运动理论不符合客观实在，暗藏猫腻，即热辐射不是分子振动所发出的。辐射波来自何处？这正是人们探索核外电子规律、反思物质理论的绝佳时机，可是学者们至今都没有去探究实验中为什么会形成这样的曲线。
面对困惑，学界没有认真去反思以往的物质理论、没有认真去反思分子热运动理论，而是关注普朗克公式中能量的不连续，经典物理中量的连续无级的思想方法受到冲击。但仅仅只是否定经典理论，坐失了探寻物质内部构成的良机。
按现行的物质理论，不考虑物质的核外电子的运动，不考虑核外电子的运转速率、线路和跃迁，仅以分子的热运动理论是解释不了这条优美的曲线的。按现行的分子热运动理论，温度越高，分子的振动越加剧。这一理论正是紫外灾难的根源。奇怪的是今天的学界一边在微观领域建立新的学说，一边袭用着这一将会导致灾难的分子热运动理论。
内在原因 实验中出现的这条曲线是因为：实验中的黑体，不管它是什么材料制成的，它总是由原子、分子构成的，原子、分子的核外电子总是在不停地运转着。当外界温度高于物体（黑体）温度时，物体吸收电磁波，核外电子速率增加，向高速跃迁；当外界温度低于物体温度时，核外电子向低速率跃迁，物体发射电磁波辐射，核外电子的运转速率就是横坐标中的频率，在这一频率下的辐出度就对应得到纵坐标上的一个点，物质的核外电子在不同的频率下有不同的辐出度，把各种频率下的辐出度的点连起来，于是就得到了这条优美的实验曲线。
凸峰形曲线表明，核外电子在不同的频率（横坐标）条件下的辐射量是不同的，即在不同的温度环境下辐射量也发生变化。这说明，核外电子的跃迁是在一定范围内规律变化，这种变化不是线性的，核外电子发生跃迁只是在某频率段最积极、最活跃，在低频和高频段跃迁减弱。同时也说明核外电子的运转速率是基本稳定的，只能在某一定范围内变化。
这是自然赋予的规律，也是自然事物的“度”的普遍特征，凡事都有个度，就像动物的眼睛只能看到一定频率的光波、耳朵只能听到一定频率的声波。凸峰形曲线是自然事物的普遍规律，例如每天阳光的强弱，动植物的生长周期，人的智力、体力随年龄变化，都是凸峰形曲线。正因为自然事物的“度”，所以也就不会发生那种“紫外灾难”。
黑体辐射实验曲线揭示了物质核外电子的运动活跃范围和规律。普朗克的量子理论说明核外电子是在一定的能级运转，其运动的变化是阶级式的，辐射是随核外电子的阶级跃迁而形成一份一份的量子化的，核外电子的运动是被制约在一定的范围之内，是有其内在的规律的。
光电效应——爱因斯坦先生错在哪里？
写下这个标题，引人注目，但一定要言之有实。作为一个普通学者，敢于对科学泰斗爱因斯坦的光电理论提出置疑，是因为爱因斯坦先生的光电理论是建立在自由电子理论之上，在第五章，在金属静电电压的形成，在导电原理，在电容器原理等章节的论述中，以实验事实为依据阐明了“金属内充满自由电子的理论”是杜撰的假说，不是自然事实，则建立在其上的新理论的失误在所难免。
光电效应是自然事实，是光与电之间的一种相互作用，是光与物质（金属）之间的相互作用，是光与物质的核外电子之间的相互作用。要解释光电效应，就要向作用的双方进行探索，一是要认识光，二是要认识物质、认识电子、认识运转着的核外电子及其伴生着的电磁波。
光是什么 哥白尼提出了日心说，科学进入了一个新纪元。牛顿时代，很抽象的力也有了科学的定义。照亮黑暗的光是什么？自然引起了学者们的关注。光总是沿直线传播、光能透过针尖大的小孔，那它一定是比针尖更小的微粒，微粒学说稳坐了100多年。
之后，光的干涉、衍射、偏振等波的特性被发现，微粒派与光波派争论了100多年。到了1801年有了结论，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，光具有波的一切性质，光就只能是电磁波，波动学说占住了主导地位。
20世纪初，科学家发现了光电效应：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。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，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？光电实验的事实，使光波理论难作解释，光波如何驱动了自由电子？经典物理在此又一次遇到困惑。
光电实验 光电实验的装置如图10-2（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。
图10-2
光电实验有以下四大特征：
（1）频率特性：不同的金属，有不同的极限频率，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10-2（C）
（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10-2B）
（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。
二象性问题 为了解决光电效应与经典理论之间的矛盾，爱因斯坦先生将普朗克的量子假说加以推广，假设光是无数微小的粒子——“光子”，光子效法着投掷的果核，把自由电子从金属中敲打出来，形成了光电效应。并且提出“逸出功”理论，建立了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，又有了光电子方程的佐证，光电效应的所有理论问题似乎都解决了，爱因斯坦先生因此而获得了诺贝尔奖。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问题的探究，失去了探寻物质内电子规律运动的极好时机，也带来了迷茫——即二象性问题。
光是什么？“光既是波又是粒子，光有二象性”，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：波是连续延伸扩散的；粒子是单个独立的，既是波又是粒子的提法是难以理解的。这逻辑相悖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。
光有二象性，光既是波又是粒子，那么粒子（电子、质子）也应有二象性，于是电子等也既是粒子又是波。既是粒子又是波的东西在常理中是不存在的，泰斗们又提出非经典之说，波是非经典的波，粒子是非经典的粒子。微观世界陷入在新的不确定之中。还有人总结了这种不确定，提出了测不准原理，在探索核外电子规律的路上亮起了红灯。
科学的职责是准确地探寻事物运动的客观规律，从古到今，人类都在不屈不挠地追求测准。想当年我们人类还不是掐指算天、燃香计时。但我们禅精竭虑追求测准，人类并没有因为测不准而放弃，才历经艰辛从蛮荒走今天的数字时代。宣扬无作为、把测不准作为原理而禁锢探索违反科学无禁区的原则。
光电实验中的问题 光电实验的特征是自然事实，是检验理论的标准，正确的理论应与实验特性全面地相符不悖。爱因斯坦先生的光电理论除了二象性困惑外，还留下了以下六个问题：
（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顺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，却是逆着入射光的方向运动，如（图10-2A）光由右向左射入，“碰撞”后的电子却由左向右运动，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，没有说明为什么不同物质有不同的逸出功，为什么逸出功与频率线性相关，没能说明物体光电频率的实质。
逸出功Ａ＝ｈｖ ｈ：普朗克常数。 ｖ：频率。
（3）甚高频率问题：爱因斯坦先生的光电方程中逸出功项显示，逸出功与频率成正比，其解释是：光的频率越高，“光子”的动能越大，光电效应越易发生。但是，入射光的频率过高，有些物体的光电效应反而减弱甚至停止，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；（光子的直径多大？如何碰撞？）遇到了方向问题就讲能量；（光如何将能量交给电子？）遇到能量问题就讲频率。给人的感觉总是在绕圈子，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，人们把这种事实叫做光电现象。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“光子” 碰撞的是什么？如何碰撞？光电现象如何产生？现代的凝聚态物理用另一种理论来解释光电现象。
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。
物质的构成 光电效应是光与物质之间发生的效应，既然是相互作用，就要向矛盾的双方进行探索、反思。然而在现行的光电理论中，面对矛盾的双方，下定决心只探讨矛盾一方的，根本不向物质方面反思，认定金属内充满自由电子，核外电子的运动是无规律的。只是对矛盾的一方——光，进行琢磨。
光电效应的事实不容置疑，如何来解释呢？于是就把光设想成“光子”，抛出了波粒二象性这个有悖逻辑的理论，使学子们陷入在不确定的困惑之中。
要解释光电效应，除了要认识光，更要认识矛盾的另一方——物质，认识物质内规律运转着的核外电子及其伴生着的电磁波。在前几章我们已经对物质的构成和运动作出探讨，不妨先来作一些简要的回顾。
（1）核外电子的运动是规律的。 在第三章第四章我们用热和光的事实，用火焰的红色说明了核外电子的运动是极有规律的。火光昭示着物体中的电子在同温度下有速率相同的运动，有相同波长的电磁波的辐射。
晶体的构成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。
（2）金属内不存在自由电子。 电压的形成及电荷在金属表面的分布说明金属内所有的电子都是有其固定的归属，金属内不存在自由电子。
（3）电子运动伴生着磁场。 电和磁二者相依相存密不可分。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。
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。
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，当他测得了“粒子”的振幅、波长，他很有可能把“粒子”看成既是粒子又是波。
光电原理 物质的核外电子是在各自的轨道上绕着原子核有规则地排列并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。电子运转的速率形成了电磁波的频率，内层电子速率较高，外层电子速率较低，价和电子的运转速率就是不同的金属在光电效应时所具有的极限频率。
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）的频率与物体核外电子运转所形成的电磁波的频率互相吻合，形成了共振，共振之下物质表面部分电子溢出，在电压波的作用下换位移动形成电流，形成了光电效应 。
由于自然事物的“度”的普遍特征，光电实验物质的核外电子的速率只能在一定范围内变化。效应发生后，入射光的频率继续升高，达到核外电子活动的最积极、最活跃的频率段，此时光电子的初动能增大。
（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，光电效应将减弱甚至停止。当入射光达到Ｘ光的频率时，形成康普顿效应（下一节讲）。这说明，核外电子的速率是在一定范围内规律变化，这种变化是凸峰形的，不是线性的，而光电方程中的溢出功是线性递增的，显然不符合自然事实。
（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：因为光不是“光子”，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表面跳跃，在电压波的作用下形成电流。
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做光电现象，或叫做内光电效应，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。
综上所述，在认识了物质、认识了物质核外电子规律运转所伴生的电磁波之后，光电效应的四大特性，进一步证实了物质的核外电子是在一定速率范围内规律运转；证实了电子的运动伴生着电磁波，光电效应是光波与伴生电磁波之间相互作用的结果。整个研讨的思维方式是经典的、前后逻辑是一致的、论证过程是理性的，所有的事实及过程与论证都全面地相符不悖，并能综合解释光电现象，涵盖一个广泛的领域。
置疑光子 在高中物理教科书中，把在微弱光线作用下，照片曝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。
我们看不到光是波或是光子，实验中我们是用胶片来“看”光，是通过胶片上的卤化银微粒与光的化学反应来校验光。值得关注的是，再小的银盐微粒也是点，这个实验的设计已经决定了结果，不管光是粒子还是波，其结果都是点，出现点与光子没有必然的因果关系，凭什么看见了点就认定光是粒子？这样的实验显然不能证明光就是光子。
实验中，微弱的入射光到达胶片，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。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。
感光材料是微粒（点）在基片上的分布，就是千万像素的数码成像也是千万个点的组合。把胶片上物质的点（微粒）来证明光就是微粒，就是“光子”实在是牵强附会。
康普顿效应
康普顿效应是1925年间，康普顿（A.H.Compton）和中国物理学者吴有训共同发现的一个重要的物理现象：把Ｘ射线束投射到一块石墨内，从石墨再发射出的射线是向各个方向发散的，故这种效应也称为康普顿散射。（图10-4Ａ）
图10-4
实验事实与困惑 康普顿散射实验有以下两大特征：
（1）散射频率特性：Ｘ射线束经散射后，在以被射物中心为顶点、与原射线方向的任意夹角θ都可以测到散射射线，在这散射射线中既有原频率的Ｘ射线成分，还出现了频率低于原频率的射线成分。而且随θ角增大，原射线光强减少，低频光强增大，频率降低。（图10-4图Ｂ）
（2）原子序数特性：散射的频率降低量与散射物质无关，但散射光中的原频率光强随散射物原子序数增大而增加，而低频光强则相对减小。如：用Ｘ射线束对原子序数为14的硅进行散射后，低频光强很大；对原子序数为29的铜进行散射后，低频光强很小。（图10-4Ｃ）
后来用多种材料做实验都能出现散射效应，在康普顿实验中，高频率的Ｘ光束为什么能投射进入物体内部并发生散射？Ｘ光是稳定的高频电磁波，又是怎么样在散射的同时发生了频率的变化？囿于当时（直至今天）人们对物质结构认识的局限，认为物体内的核外电子是散漫的电子云，光波在与电子云相互作用时，如何发生了方向的变化？光波更是如何在改变角度的同时发生了频率的变化？康普顿实验的事实，使现有的理论难作解释，经典物理在此又一次遭遇困惑。
此时，有研究者把光波设想成“光子”，光子在与核外电子发生碰撞时，改变了方向和频率，此说论述虽十分牵强，但把光波设想成光子，使光子的能量与核外电子相互作用后，得到了一个散射后频率与散射角之间的公式，该公式的计算值与实验数据十分相符，于是康普顿效应成了光的粒子性的有力证据。
对于康普顿效应中的序数特性，研究者就解释为原子序数大对价电子的束缚大，于是低频光强就很小。
公式有了，而且与实验相符，对序数特性也有了解释。于是康普顿效应就写进了教科书，成了波粒二象性理论的佐证。除了二象性困惑之外，这种解释的自身也藏匿着矛盾和疑虑：
（1）在光电效应中，光子“撞出”的是电子；在康普顿效应中，光子“撞出”的却是频率较低的波，光子理论怎么如此万能？
（2）对于序数特性，研究者的解释为：原子序数大的物质对价电子的束缚大，序数为29的铜的价电子受到了较大的束缚，所以铜散射后低频光强很小。而自由电子理论认为铜的导电性能很好，是因为铜的核外电子的自由度大——受束缚小，这与原子序数大对价电子的束缚大直接矛盾，究竟是谁的对？
（3）现行康普顿散射理论的成功之处就在于得到了一个频率与散射角之间的公式，该公式的计算值与实验数据十分相符。这个公式是建立在能量守恒的基础之上的，即射入的能量等于散射出的能量。在这个公式的推导、化简过程中，消除了速度、反冲角等与碰撞有关的量，公式结果就只剩能量守恒，已经与碰撞无关。能量守恒是自然普遍法则，由此算出的结果与实验数据相符是理所当然，丝毫不能证明光波是光子。
（4）现行康普顿散射理论满足于有了公式和计算结果，并没有把康普顿散射频率的改变原理阐述清楚。现代教科书讲述康普顿效应，先是把光波设想成光子，然后讲碰撞，光子的直径是多大？光子之间如何碰撞？碰撞改变了方向还好理解，碰撞如何改变频率？实验中较低频率由何而来？频率的变化过程仍然是个谜。
散射原理 康普顿散射是实验事实，是光与物质原子之间的相互作用，是Ｘ光与物质的核外电子之间的相互作用。要解释康普顿效应，就要向作用的双方进行探索，一是要认识光，二是要认识物质、认识原子、认识规律运转着的核外电子及其伴生着的电磁波。
在前几章我们已经对物质的构成和运动作出探讨，不妨先来作一些简要的回顾。
（1）核外电子的运动是规律的，原子的电子依次在各电子层按2、8、18的个数均衡排布、规则运转；外层电子则结合成结构元在价和轨道运转。如此，核外各层电子都是在一定轨道上等速、秩序运转，速率分别是整齐一致的，是极有规律的。
（2）电子运动伴生着磁场。电和磁二者相依相存密不可分。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，旋转着的电子在旋转轴线方向伴生着电磁波。
明确了物质结构，我们再来看康普顿效应，前述经典理论的困惑都将迎刃而解，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康普顿效应，用逻辑和理性来解释散射实验的所有特性。
康普顿效应的发生是Ｘ光波与物质核外电子所伴生着的波相互作用的结果。
（1）入射光频率：康普顿效应的发生的前提是高频的Ｘ光波与物质相互作用，用一般的可见光则散射不能发生。因为一般物体的价和电子的运转速率较低，所伴生的电磁波的频率不高，只能对一般频率相近的可见光进行反射或阻挡 。而Ｘ光的频率高， 能穿透物质速率较低的外电子层，所以投射光必须是高频的Ｘ光波，一部分Ｘ光能透过物体，这就形成了散射射线中的原频率的Ｘ射线成分。
（2）光强特性：物体原子的外层部分能让Ｘ光能透过，原子内层的核外电子速率却很高，所伴生的是高频的电磁波，而这种高频电磁波对高频的Ｘ光波能够形成反射、折射，有些电磁波如果方位、频率合适，还能对外来的辐射形成吸收。
原子最内层的两个核外电子的运转要绕成一个球面，其运转方向是变化的，线路是扭曲的，所伴生的高频的电磁波的方向是变化的、随机的。投射进来的Ｘ光波受到这随机的高频电磁波的反射、折射，方向发生改变，有的射线在物体内还会受到多次反射，最后从物体表面向各个方向透射出来，形成以被射物为圆心的散射。
在形成散射的同时，还不断地有主射线连续地射入，物体内的随机方向的散射波受到主射线的反射、折射，所以顺着主射线的方向与主射线叠加，使原射线光强增大；而且随θ角增大，主射线受到随机方向的散射波随机的散射波的作用，原射线光强减少。
（3）频率特性：在这散射射线中既有原频率的Ｘ射线成分，还出现了频率低于原频率的射线成分，这低频射线是核外电子逐层跃迁、辐射所发出的。
我们在“传热问题”中谈到：核外电子绕着核心旋转着，电子的运转伴生着电磁波。核外电子通过辐射或吸收电磁波与外界发生交流，维持着一个动态的平衡。
康普顿效应投射的是高频、高能电磁波，而原子内层的核外电子所伴生的电磁波能量相对较低、方位随机，其中有些伴生的电磁波如果方位、频率合适，能对投射来的电磁波形成适量的吸收。
内层的核外电子吸收辐射后，加快了自身的运转速率，同时逐层向外发生辐射，使外层电子速率增加，速率升高后的外层电子继续向外发生辐射。而愈到外层电子的速率愈低，向外辐射的电磁波的频率也就低些，这也就形成了散射中的频率低于原频率的射线成分。
这较低频率的射线也是随机地向各个方向散射，频率愈接近主射线，受主射线的作用愈大，所以θ角小时，受主射线的作用，原射线光强愈大；而低频率射线与主射线的频率差距愈大，愈不受高频主射线的作用，所以随θ角增大，低频光强相对更大，原射线光强减少；随θ角增大，不受高频主射线的作用的低频射线的频率更低。
（4）序数特性：散射时，内层的核外电子吸收辐射后加快了自身的运转速率，同时向外层发生辐射，使外层电子速率增加，速率较高的外层电子也向外发生辐射。因为原子序数大的物质，核外电子的数量大，电子层也较多。散射时，层层向外辐射，过程较长，所加速的电子数量较多，所付出的能量较多。加之金属的传热性能好，所内耗的能量较多（应该检测到被照射的金属体发热）。所以散射出的低频光强则相对减小；而散射光中的原频率光强不受多层外电子的影响，所以原频率的光相对较强，这就形成了康普顿散射中的原子序数特性。
在关注物质核外电子的规律运转、在正视核外电子运转所伴生的电磁波之后，再来进行对康普顿效应的研讨，所有事实（入射光频率，散射光的光强特性、频率特性、序数特性）的论证全面地相辅相成。
康普顿效应与原子的光谱实验相辅相成，进一步证明了物质的核外电子是按层规则排布的、运转是规律的，揭示了原子内层电子速率高且稳定，伴生的波在Ｘ光频率范围，按层向外降频传播。
康普顿效应是Ｘ光波与物质核外电子所伴生着的波相互作用的结果，进一步证实了电子的运动伴生着电磁波。
Ｘ射线的照射还能使薄片金属发出荧光。物质核外电子高速运转所伴生着的波的方位、方向与入射的Ｘ光发生作用是随机的，使金属薄片发生荧光的方位也是随机的，有教科书把这种荧光的随机性说成是光的粒子性，是值得商榷的。
波粒二相性不是佯谬，是真谬
——量子物理错在哪里？
原子光谱
一百年前，光谱实验揭开了核外电子规律运转的神秘面纱。一位瑞士的中学物理教师把制取的氢气存入玻璃管，然后接上高压电源，致使氢气体发光，通过三棱镜的散射分光，得到氢原子光谱。
氢原子光谱实验得出了5条分立的线光谱，昭示了核外电子的能级规律，表明核外电子只有在这几个能级具有稳定状态。
这正好是核外电子规律运转而且是在一定能级运转的实验证明，这正是大自然在提示我们核外电子的运转是规律有级的，这个实验正是对电子运动无规律的电子云理论的有力否定，
玻尔先生在原子理论中指出原子的能量状态不是连续的，原子只能稳定存在几个分立的能量状态中。玻尔的理论已经与核外电子规律运转自然事实接近，氢原子光谱实验与电子云理论直接冲突，玻尔的理论与电子云理论直接冲突。
可惜人们过分的信奉电子云理论，不敢反思，对大自然的明示感到茫然，抱定核外电子运动无规律的论调。把电子云理论与经典物理混为一谈，把电子云理论的痼疾归结为经典物理的失败。
本书第四章《认识的由来》就谈到了原子的光谱。由来——光谱实验揭示了核外电子的能级规律，反映了核外电子的规律运转。疏误——忽略了温度条件盲目地推广应用。
原子的谱线的不同的疏密及色彩，昭示着核外电子的能级（谱线）和速率（色彩），是灼热气态物质的核外电子规律运转的真实表达。
依照大自然提示，原子光谱及能级规律与核外电子的规律运动相辅相成，摈弃电子云理论，所谓的经典物理的困惑烟消云散，分立的谱线的实验结果事实确凿，应该成为核外电子的规律运动的有力的证明。
原子塌陷问题
自从卢瑟福原子模型的建立，人们认知到电子绕核运行的线路是圆周运动，是一种加速运动，作加速运转的电子要不断地消耗能量。人们计算出核外电子的能量将很快耗尽，电子轨道将内陷，在10-10秒内就会被原子核吞灭、原子将会塌陷。这是物理学书本所描绘的图画，这种情况从未发生。这也是经典物理所面临的困惑。
光谱实验传达了原子内部的重要信息，氢原子光谱的5个分离的谱系说明核外电子运动的变化不是连续的，而是按能级形成阶级变化。面对实验事实，玻尔先生作了3点假设，提出了著名的玻尔原子理论，对实验有恰适的解释，取得了重大的成功。
其中假设原子（电子）在几个能级间发生跃迁时，要发射或吸收电磁辐射，然而人们当时只知道原子核是粒子、电子是粒子，哪来的辐射波？
可惜当时人们没有从司空见惯的小磁针实验中获得启发，忽略了中学所做的简单实验，忽略了电子的运动所伴生着的波。
就在80年前，学界有人另辟蹊径，提出物质波理论，用驻波理论对电子的不塌陷作出了解释。
德布罗意波 德布罗意先生（L.de Broglie）依照爱因斯坦光波也是“光子”的假说而猜想：波可以是粒子，那粒子或许也是波，提出了物质波的理论。并在论文中提出了物质波的计算公式，当物质运动速度大大小于光速（ｖ<<c ）的情况下,简化公式如下：
λ≈h/ｍｖ
式中 λ:波长 ｈ：普朗克常数 ｍ：质量 ｖ：速度。
德的公式表明:任何物质只要有质量、有速度就有波，小至电子、夸克，大至宇宙天体包罗万象。
德的公式与电子衍射的实验符合得很好，这也是该公式得以生存的原因之一。可是到了电子级别，算出的波速超过了光速、波速与电子速度完全不同步。由这些离奇的计算结果，看不出该公式有什么价值。
我们来看看物质波公式的实际运用，用德的公式计算出一粒射出的子弹的波长为6.63X10-36m，频率比γ射线还高；用德的公式计算出我们喝的水、呼出的二氧化碳的物质波长为7.3x10-9m和3.03x10-9m，(当V=0.3m/s)这可是Ｘ射线呵！微尘、红血球的物质波长等于γ射线！如果事实是算出的这样，所有动物早就灭绝了！
年轻的德布罗意对自己的理论和公式都没有把握，可后来这些公式却堂而皇之的写进了大学课本，是因为随后的几个实验给物质波理论帮了大忙。
1927年，戴维孙和革末用高能的电子束射向镍晶体表面，得出了与用Ｘ射线束射向镍晶体表面的布拉格实验相同的衍射现象，当电压为一定值时，实测衍射角换算后所得波长与德布罗意公式计算值基本相符，实验“证实”了电子具有波性质。
同年，汤姆孙用高能的电子束垂直射向金箔和铝箔，射出的电子在靶上形成了明显的衍射环。电子的衍射实验如图10-5Ｂ，衍射是波的突出特征，于是，人们不得不相信电子是波。电子的粒子性已有证实, 衍射环又不容置疑，于是波粒二象性开始大行其道。
在确立光的波动性的历程中，1801年，托马斯．杨（Ｔ.Young）作出了历史上著名的双缝实验一：让束光射向刻有双缝的板，在观察屏上出现了明暗相间的干涉条纹，证明了光的波动性。
1961年，约恩孙（C.Jonson）受光的双缝实验的启发，直接用电子做双缝实验，他用高速的电子束射向间距1μm、宽为0.3μm的双缝铜膜，在靶上摄得了明显的干涉条纹；再用微弱的电子束做试验，在靶上摄得了离散的亮点。干涉是波的重要特性之一，而亮点证实了电子的粒子性，于是，电子的波粒二象性又进一步得以“证实”。
为什么在“证实”上打上引号？因为这些都是伪证！实验本身不错，也没有作假，错的是人们对实验事实的理解及解释，错的是人们忘记了小磁针的实验，疏忽了电子的运动伴生着波。
图10-5
今天，我们可重做上述电子衍射实验、双缝实验、汤姆孙实验，所有的装置完全相同，只是在电子运行的路径上设置小磁针，我们应该在飞去的电子周围检测到电磁波！（图10-2Ｂ）小磁针将发生偏转，为何偏转？这正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，电磁波又扰动了伴波运行中的电子。在这些个实验中，电子就是夹杂在其伴生的电磁波之间，随波逐流到达靶面，形成干涉、衍射亦在情理之中。
就像船在水中航行，会激起（伴生）波浪，船队前进，每艘船都会在波浪中起伏，前后左右排列的船队伴波而行，在通过某一截面（靶面）时，大小一样的船在截面上不会形成一条平直的排列，而会形成起伏的波状。此时，你就能断定船就是波吗？
这戴维孙和革末实验、双缝实验、汤姆孙实验及《量子力学》中所有的“电子的波动性”实验，都是电子运动所伴生着波的实验表现，只能证明电子的运动伴生着波，丝毫不能证明电子具有波动性，丝毫不能证明电子是波。
电子是波与电子的运动伴生着波是不同的概念，（人走路伴生着脚步声能不能说人就是脚步声？）几十年来，伪证和概念的混淆使物理学陷入了重大的蒙蔽之中。
综合上述，计算结果的荒唐及实验疏忽导致结果的伪证，说明德布罗意波的理论及实践都是错误的——物质波之说是错误的。
原子塌陷解 回到电子塌陷问题，德布罗意先生的解释是因为电子运转的驻波所起的作用，按公式一算，A物质波将大于光速——奇谈。B电子发生的波与电子的运动不同步——魂不附体。显然，电子的环行驻波是个臆造之说，这公式是错的、理论也是错的。
错在哪里？——形而上学的思想方法。用孤立的、静止的、封闭的(没有环境的、与外界没有交流)思想来研究某个原子，可能会有电子能量耗尽、轨道内陷、落入核内之灾。然而原子不会是孤立的，周围有物质、有环境、有温度、有热辐射、有交流、有互动。
波尔的假说，假设原子（电子）在两能级间发生跃迁时，要发射或吸收电磁辐射。已经接近事物的本质。
前文中谈到：温度高核外电子的速率高，并向外发出电磁波辐射；温度低核外电子的速率低，并吸收外界发出的电磁波辐射。这就是原子与外界的互动和交流，把原子看成是孤立的、封闭的，是形而上学的，原子如果没有与外界的交流，热力学第二定律由何而来？
原子体系就是由发出或吸收电磁波达到守衡。每个原子都处在一定的环境中、永远不会是孤立的，周围有温度、有辐射，还有宇宙的2.7K背景辐射。
有了一定的温度和环境温度，核外电子伴生的波与外界环境的电磁波进行着频繁的交流及互动，核外电子就能稳定存在、稳定运转。同时电子的运转伴生着磁场，磁场又推动着电子的运动，电子永远也不会陷落到原子核内。
用孤立的观点（没有环境，没有互动）来看待单个的原子，在对电子的运动特性不甚了解的情况下谈论核外电子会内陷，完全是杞人忧天。
值得关注的是: 汤姆孙实验、戴维孙和革末的实验、双缝实验和前面所讲的光电实验、康普顿实验是量子力学的核心实验，由这些个实验导致了波粒二象性理论的生成和发展，成了错误的本源。错在哪里？——忽视了中学实验的小磁针，忽视电子的运动所伴生着的电磁波；迷信电子云理论，忽视了核外电子的规律运动。
在汤姆孙实验中，电子在伴生着的电磁波之间运动形成了明显的衍射环，于是就有了电子波动的实验依据，波是起伏的、不定的，于是就有了量子（电子）是不定的基本设想，于是就提出“用状态函数来描述量子系统的状态，是量子力学的第条一基本公设”，认为讨论单个的电子运动没有意义，讨论的只是其多次行为的统计结果。从而设置了禁区，使众多的学者失去了探讨核外电子规律运动的时机。
在光电实验中，忽视核外电子规律运动所伴生着的电磁波，所以也就想不到入射光与核外电子所伴生着的电磁波的相互共振作用，于是就单方向把光波琢磨成光子。于是就有了波也是粒子、粒子也是波的波粒二象性理论。
是的，二象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。也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，所发展的理论生涩、误人。二象性理论是建立在深层的不稳定的基础之上，使物理学变得难自圆其说，于是就穿起了一件美丽的新衣——佯谬。
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。但是深层的不确定性毕竟缺乏科学应有的严谨。
在认识了物质核外电子的规律运转及电子运动伴生的波之后，对光电效应实验、康普顿实验、汤姆孙实验所进行的研讨，论证过程是理性的，思维方式是经典的，逻辑是一致的、所有的事实与论证全面的相符不悖，没有任何牵强，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，并能综合解释光电效应、康普顿效应及各种电子束的实验，还原一个系统的整体。
