(二)愛因斯坦光量子論與光電效應

在談愛因斯坦的光量子論時我們必須先回頭看一個重要的實驗："赫茲的光電效應"實驗。早在1888年﹐G.L.赫茲觀察到紫外線照射在金屬上時﹐能使金屬發射帶電粒子。在J.J.Thomoson發現電子以後，奧地利物理學家.. P.雷納 於1900年設計一個實驗裝置(即在高中時我們熟悉的光電效應實驗裝置)，對通過對帶電粒子做荷質比的測定，證明金屬所發射的是電子。
而由實驗中的觀測可以發現：
(1)對於相同的金屬板而言,所照的光需要高過一個頻率,稱為低限頻,而對不同的而言,則有不同的低限頻。
(2)電流的強度和光的強度有關,光強度越強,則電流強度越強。
(3)若所照之光低於低限頻,則無論光強度如何都不會產生電流。但所照之光比低限頻高,如論光強度如何亦有電流產生
即電流大小與光之強度無關。
(4)若對實驗裝置施以反向的電壓，會在I-V圖中與V軸交一個截距Vo,稱為截止電位。
而這個現象挑戰著古典物理觀念。假定：能量的變化是連續的，則在這個條件下，對金屬板持續提供能量的話...無論何種頻率的光，都應該可以激發出金屬板中的電子，但光電效應的現象卻顯示出這個觀念可能是有問題的，而物理學家們一邊尋找著解答的同時,亦將這個問題釀成了懸案。
由發現光電效應的發現開始起計27年後的1905年，這個現象被愛因斯坦用來佐證其所提出的光量子論，愛因斯坦延伸蒲朗克量子論中的概念:
"黑體輻射實驗之中所吸收或輻射的能量都有一個能量單元"每個能量單元遵守 E=hν 的關係式，他將這個觀念推廣，指所有的電磁波在空間中傳遞時，其能量的格式亦要遵守這個原則，皆具有最小的能量單元。這種現象我們稱為"能量的量子化"，而對於這一個一個的能量最小單元。
愛因斯坦稱之為"光子"(Photo)。單一光子的能量便是：
　E=hν (愛因斯坦-蒲朗克關係式)
而愛因斯坦更針對光電效應的現象，提出光子力學理論他認為：光波的傳遞的行為像粒子一般...單一的光子在光速的運動下會有動態質量m，其單一光子的能量要遵守E=mc^2
也就是說，在愛因斯坦的觀點之中，光根本就是由一群特殊的質點(稱為光子的東西)所組成的，而結合上述的兩個觀點，愛因斯坦對光電效應所做出的闡釋如下：
入射光頻率ν與電子最大動能Ek=1/2mV^2的關係：
hν=Ek+eΦ(愛因斯坦光電方程式)，其中
(1)Φ為一個常數,eΦ稱為金屬的功函數。由這道方程式,並結合光電效應的現象,可以知道:游離出電子需要的低限頻率與功函數的關係為eΦ=hν
(2)強光表示光子數量多,弱光表示光子數量少,光電子是否游離,決定於單一光子能量。
由上述兩點的說明,可以說明:謂何電子的游離需要過一個低限頻,且只與光的頻率有關。但看到這裡,可以發現到的是,如果光可以視為一群特殊的質點,則根據我們所認知古典物理的碰撞現象,來設想於微觀之中光子與電子發生什麼現象。一般而言,質點與質點傳遞能量格式是以相互碰撞的方式達到目的(若排除超距力的存在),則可想而知的是：光子與電子傳遞能量時，會像是質點碰撞般的傳遞能量，則我們應該可以找到光子與電子碰撞的現象。另外，如果可視光子為特殊的質點，則光子應該有可觀測的質量特性存在。若由愛因斯坦的光電方程式可以知道，光子提供的質量被完全用來脫離金屬表面，而且若從碰撞的觀點可知，光子與電子做完全非彈性碰撞。這些疑問，在幾個實驗中得到了解答：

１.1919年艾丁頓克隆梅林日蝕觀測
若光子真具有質量，則從太陽附近通過之遠方星球發出的光線，會因為受到太陽巨大的萬有引力的吸引，而出現軌道的偏折，而在這個實驗當中，觀測的科學家發現遠方星球來的光線果真出現了偏折，而證實愛因斯坦的觀念是正確的

２.若光子提供的能量滿足愛因斯坦的方程式，則回到先前光電實驗的內容之中的截止電位Ｖｓ。則改寫方程式：ｅＶｓ＝ｈν－ｅΦ
則Ｖｓ＝(ｈ/e)ν－Φ，若愛因斯坦是對的，則對不同金屬照射光線，且改變成不同的入射光來測定的話，則每道方程式的圖形的斜率都應該為h/e。在當時，有名的科學家密立根為證實愛因斯坦是錯的，而運用上述的概念作了實驗，稱為密立根驗證，最後的結果，卻不巧的証實愛因斯坦的理論，成為其理論的最大背書。

３.而光子的碰撞現象直接的證據，於1923年由美國的科學家康普頓，利用高能光子，與石墨衝撞而找到了這個現象。
而愛因斯坦成功理論當中，我又可以另外發現到：如果，能量的傳遞格式，皆具有最小的單元存在，則可以發現到的是，能量的傳遞觀念並不是連續的。且能量的吸收以及釋放，都要遵守量化的概念。