編制人：彭曉韜
編制日期：2020.04.20
一、項目目的
通過對一定頻率的光是否具有與其頻率成正比的動量與動能的檢驗，可直接證明光子是否真的存在。為更準確地認識光的本質提供基礎性素材和依據。
二、項目基本原理
1、方案一（詳見附件一）：電性不同的粒子在同一束光作用下的行為方式判定法
具有動能與動量的任何粒子均可以與任何帶質量的粒子產生相互碰撞且碰撞規律基本遵循完全彈性碰撞規律，與被碰撞粒子的電性（帶正、負電荷或不帶電荷）無關。因此，如何光子真的具有與其頻率成正比的動能與動量的話，則光子與電子、質子及中子的相互碰撞就應該會遵循彈性碰撞規則。若實驗結果並非如此，則就可以直接證明具有動能與動量的光子是不存在的。
目前普遍認為光是電磁波，是變化的電場與磁場相互激勵產生的隨時間變化的、自光源朝各個方向傳遞的電磁波。而電磁波由與其傳遞方向正交且相互正交的變化的電場與磁場兩種分量構成。按照光或電磁波的此種性質和帶電粒子在電場與磁場中的運動規律，則可得出：不同電性的帶電粒子（質子、中子和電子）在同一束光的作用下會有完全不同的運動狀態變化趨勢：電子與質子會朝相反的方向改變運動趨勢，而中子不會改變運動趨勢。
如果具有與其頻率成正比的動量與動能的光子存在，則光子與帶質量的粒子（質子、中子和電子）相遇時，會發生彈性碰撞並使帶質量的粒子以相同的方向改變運動趨勢，而與粒子的電性無關。
由此可見，完全可以利用電性不同的粒子（質子、中子和電場）在同一束光照射下的實際行為方式來判定光到底是不是攜帶了與其頻率成正比動量與動能的光子。
2、方案二（詳見附件二）：光電效應精細化實驗判定法
如果光電效應是由帶動量與動能的光子碰撞金屬中的電子而導致電子加速並逃逸金屬後成為光電子的話，則凡是動能大於電子與金屬間結合能D的光子均可以使金屬產生光電效應。由於金屬中的電子均是以一定頻率圍繞原子核運動的，只是不同電子不同時間段的繞核運動頻率並非固定不變，會在某一頻率段範圍內變化。這就導致金屬中的電子與金屬間的結合能D值會有一個最小值Dmin和一個最大值Dmax。當同密度的、動能大於Dmin且小於Dmax的光子照射到金屬表面時，光電子數量會隨光的頻率升高而不斷增多。當同密度的、動能大於Dmax的光子照射到金屬表面時，光電子數量不會隨光的頻率升高而增多，但也不會減少。
目前被廣泛接受的光電效應機理解釋是愛因斯坦的光子說：攜帶與其頻率成正比動能與動量的光子碰撞金屬中的自由電子並使其達到逃逸金屬速度後而成為光電子。但實際情況是：照射光頻率高到一定程度後，不僅不能產生更多的光電子，而是光電子數量反而銳減，甚至幾乎不能產生光電效應。這就明顯與粒子間的相互作用規律不符：粒子的動量與動能越大，光電子數量也應該越多而不應越少。
實際上，根據所有元素都存在線性特徵頻率譜的規律可知：金屬中的電子是以一定頻率不間斷地圍繞原子核運動的，且不同電子圍繞原子核運動頻率也不盡相同，最外層的所謂自由電子也不會例外。由此可能存在不同電子被光作用成為光電子所需的最低頻率（紅限）並不相同。當利用不同的、單一頻率的光分別照射金屬時，光電子數量會發生與金屬最外層電子數量有關的、有規律性的變化：同一外部電子層上的電子數量越多，當用與其頻率相近的光照射金屬時產生的光電子數量也會越多。利用與元素線性特徵頻率的光照射金屬時可能能產生更多的光電子。
由此可見，利用從遠低於紅限到X和γ射線波段的、單一頻率的光分別照射金屬並記錄其產生的光電子數量，再編制頻率與光電子數量關係圖。如果關係圖為：低於紅限時的光電子數量接近為0，高於紅限時的光電子數量隨頻率上升而增多時，則說明光為具有與其頻率成正比動量與動能的光子。如果關係圖為：低於紅限時的光電子數量接近為0，但高於紅限時的光電子數量並不隨頻率上升而增多，而是到了一定頻率後，光電子數量不斷減少甚至接近為0，甚至出現雙峰或多峰波浪式變化時，則說明光電子是由光產生的變化電場與磁場使繞原子核運動頻率和相位合適的部分電子被同步加速並達到逃逸速度後才成為光電子的。
三、項目可行性分析
1、方案一：因目前對微觀粒子的觀測技術難以達到直接觀測其實時運動狀態，需要利用雲室等技術來顯示微觀粒子的運動軌跡。因此，此方案雖然比較直觀、可靠，但實施難度相對較大。
2、方案二：此方案與百年前的光電效應實驗區別不大，只是需要使用盡可能頻率單一、強度相近的光分別進行光電效應實驗。而目前利用激光技術或從連續頻率的光源中分離出頻率基本單一的光的難度均不大。因此，本方案的可行性要高於方案一，且所需要的實驗器材與費用也相對較少。
附件一：
電性不同的粒子在同一束光作用下的行為方式判定法
方案一：雲室方案
雲室是目前常用於觀測微觀粒子的實驗室設施之一，各類不同粒子在雲室中的運動軌跡是完全不同的。因此，可以考慮在目前雲室的基礎上，增加可控變頻電場與磁場作用於雲室某一方向或用固定頻率的光定向照射雲室，其電磁場變化週期或光的週期應該小於電子、質子和中子在雲室中留下運動軌跡持續時間的一半甚至更小，以便觀測它們在變化電場與磁場的作用下運動軌跡的變化規律。
如果電子、質子和中子在變化電場與磁場作用下，運動軌跡的改變方向相同，則可以證明光子存在；
如果出現電子與質子的運動軌跡改變方向相反，且中子運動軌跡基本不改變，則證明光子是不存在的。只能證明光是變化的電磁場，對不同電性的物質的作用方式不同。
如果重複上述實驗並出現一部分實驗結果是電子、質子和中子有變化電場與磁場作用下，運動軌跡的改變方向相同，另一部分實驗結果則是相反，且隨著重複實驗次數的增加，二各實驗結果的概率趨於50%，則證明光具有波粒二象性。
方案二：靜止電子、質子和中子方案
當使用同一束光同時照射處於等距離上的相對靜止電子、質子和中子時，觀測它們的運動狀態變化趨勢和規律。
如果電子、質子和中子被光照射後同時朝同一方向改變運動狀態時，則說明光子存在；
如果電子與質子朝相反的方向改變運動狀態，且中子基本不改變運動狀態，則證明光子不存在。只能證明光是變化的電磁場，對不同電性的物質的作用方式不盡相同。
如果重複實際結果顯示：電子、質子和中子改變運動狀態的方向相同與不同各佔一半左右，則證明光具有波粒二象性。
附件二：
光電效應精細化實驗判定法
1、利用同一套光電效應實驗裝置對不同頻率的入射光所產生的光電子數量進行計數。要點：光電管金屬面被光照射面積和位置、持續時間、光照強度和金屬板面溫度基本相同等（只允許頻率變化，其他參數不變）；
2、照射光的頻率儘量單一併在被光照射的金屬的線性特徵頻率譜附近加密觀測。
3、實驗所用照射光的頻段：自無線電波段到Ｘ射線波段或更高的γ射線波段，但頻率的間隔儘量相等且不宜過大（最好小於電子繞原子核最短運動週期（最大頻率）的1/3週期）。
4、照射光與金屬表面間的夾角最好不少於3種情況：小於45˚、等於45˚和大於45˚，最好為15˚、45˚、75˚等。
5、在臨界頻率（紅限）附近，對不少於5種照射光的強度、持續時間和金屬表面溫度進行系統的加密測量，且光照強度和持續時間的變化幅度儘量大些；
6、對實驗所得數據進行歸一化整理並繪製成帶光照強度、持續時間和金屬表面溫度等參數的光電子數與頻率關係曲線圖。
實驗結果預判
1、當電子數與頻率關係圖出現多峰值現象（金屬中電子圍繞原子核運動存在不同能態，因此就有不同的同步加速頻率）時，就可證明：光電效應是由電磁場同步加速作用產生的；
2、當光照角度大於45˚時仍可激發出電子時，就可證明：光電效應不是粒子碰撞造成的；
3、只有當光照角度大於45˚時不產生光電子，而照角度小於45˚時，光電子數量隨照射光的頻率上升而增加時，才可證明光電效應是由光粒子碰撞造成的；
4、當臨界頻率（紅限）不隨光照的強度與持續時間變化時，則說明光電效應是由電磁場同步加速作用所為；否則，可能就是光子作用所為了。
5、當臨界頻率（紅限）隨金屬表面溫度上升而上升時，則說明光電效應是由電磁場同步加速作用所致；否則，可能就是光子作用所為了。
