這50年的沉思，并沒有使我更接近“什么是光量子”這個問題的解答。今天，每個鄉(xiāng)巴佬都自以為知道它的答案，但是他錯了。
——愛因斯坦，在生命的暮年
1905年，為了解釋光電效應的疑難，愛因斯坦(Albert Einstein，1879?1955)對普朗克的量子化概念做了深入的分析。根據普朗克的量子化假說，粒子為了發(fā)射頻率為v的電磁波而釋放的能量必須是hv的整數(shù)倍，這就意味著粒子自身的能量必定是量子化的，能量的改變是不連續(xù)的。由于能量守恒的原因，粒子釋放出來的能量必須在瞬間轉變成光的能量。于是，粒子發(fā)射的電磁波必定是一股一股的，也就是說，電磁波以一個一個能量包的形式出現(xiàn)，每一個能量包就是一個光子。對應于頻率為v的電磁波，每個光子的能量等于hv。
愛因斯坦的光量子假說完美地解釋了光電效應的基本特性。在金屬表面附近，電子受正電荷的約束，需要獲得一定的能量才能跳出金屬表面，這個能量被稱為電子的逸出功，用W 標記。對于不同的金屬，W的數(shù)值不一樣。當電磁波照射到金屬的表面上時，一個光子與一個電子碰撞，會嘗試把自己的能量交給電子。為了使電子能夠跳出金屬的表面，入射光的頻率至少必須滿足hv? =W ，這個v? 就是臨界頻率。如果入射光的頻率低于臨界頻率，一個光子的能量比電子的逸出功?。?em>hv <W，不足以讓一個電子跳出金屬的表面，電子就不會接收這份能量，在這種情況下，光子只是簡單地被反彈回去，或者將自己的能量轉變成金屬內部的熱能并釋放出來；如果入射光的頻率剛好等于臨界頻率，一個光子的能量剛好夠一個電子跳出金屬的表面，一個電子就會吸收一個光子跳出來；如果入射光的頻率高于臨界頻率，電子接收光子的能量跳出金屬的表面后還有多余的能量，這多余的能量就會以動能的形式讓電子遠離金屬的表面。這個過程的數(shù)學關系可以通過光子與電子碰撞時總能量守恒得到。碰撞之前，電子受正電荷束縛，具有—W的能量，光子——電子系統(tǒng)的總能量為hv—W ，碰撞之后，電子吸收了光子的能量跳出金屬的表面后具有動能E?k，能量守恒定律將碰撞前后的總能量聯(lián)系起來：
在1905年前后，物理學家并不接受量子化的觀念。愛因斯坦在成功地解決了光電效應的疑難之后，馬上把量子化的概念用到極低溫度下固體的比熱容的疑難問題上。所謂的比熱容指的是，每單位質量的物質溫度每升高一度需要吸收的熱能。根據經典熱物理學理論，固體的比熱容是一個常數(shù)，與溫度無關。但是，19世紀末，隨著低溫技術的進展，越來越低的溫度得以實現(xiàn)。物理學家發(fā)現(xiàn)，在極低溫度下，固體的比熱容偏離熱物理學理論的預言，隨著溫度趨向絕對零度，比熱容的數(shù)值趨于零。理論預言與實驗結果再次出現(xiàn)嚴重的沖突。光電效應疑難的成功解決令愛因斯坦意識到，可以用量子化的概念來解決物體的比熱容疑難。在固體的內部，每一個原子都定域在某個平衡位置附近形成點陣結構。根據愛因斯坦的想法，每一個原子都在它的平衡位置附近做某種頻率的振動，振動的能量與環(huán)境溫度有明確的關系。這樣一個振動的原子，在吸收熱能的時候，也要按照普朗克的量子化關系一份一份地吸收。根據這個想法所做的細致的理論計算與實驗結果完全一致。
愛因斯坦對量子化概念的成功應用使物理學家們意識到，可以利用量子化這個概念來解決經典物理學中的其他疑難問題，人們開始接納量子化的觀念。由于對理論物理的貢獻，特別是闡明了光電效應的基本特性，愛因斯坦被授予1921年度的諾貝爾物理學獎。
