Theo thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein thì một hạt ánh sáng (photon) của ánh sáng đơn sắc có tần số f phải có năng lượng là:

1. Hiện tượng quang điện

a. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện (1887)

- Gắn một tấm kẽm tích điện âm vào cần của một tĩnh điện kế, kim điện kế lệch đi một góc nào đó.

- Chiếu chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì góc lệch của kim điện kế giảm đi.

- Thay kẽm bằng kim loại khác, ta cũng thấy hiện tượng tương tự.

Kết luận: Ánh sáng hồ quang đã làm bật êlectron khỏi mặt tấm kẽm.

b. Định nghĩa

Hiện tượng ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ) làm bật các êlectron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).

2. Định luật về giới hạn quang điện

+ Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi ánh sáng kích thích chiếu vào kim loại có bước sóng nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng λ₀. λ₀ được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó: $\lambda \le {\lambda }_0$

+ Trừ kim loại kiềm và một vài kim loại kiềm thổ có giới hạn quang điện trong miền ánh sáng nhìn thấy, các kim loại thường dùng khác đều có giới hạn quang điện trong miền tử ngoại.

+ Thuyết sóng điện từ về ánh sáng không giải thích được, đó là vì theo thuyết này khi sóng điện từ lan truyền đến kim loại thì điện trường trong sóng sẽ làm cho các electron trong kim loại dao động, nếu cường độ điện trường đủ lớn tức là cường độ ánh sáng kích thích đủ mạnh thì các electron có thể bị bật ra bất kể bước sóng của sóng điện từ đó là bao nhiêu. Nên định luật quang điện chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử.

Bảng giá trị giới hạn quang điện của một số kim loại

3. Thuyết lượng tử ánh sáng

a. Giả thuyết Plăng

+ Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và bằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; còn h là một hằng số.

+ Lượng tử năng lượng: ε = hf, h gọi là hằng số Plăng: h = 6,625.10⁻³⁴J.s

b. Thuyết lượng tử ánh sáng

+ Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn.

+ Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng bằng hf.

+ Trong chân không, phôtôn bay với tốc độ c = 3.10⁸m/s dọc theo các tia sáng.

+ Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn.

Phôtôn chỉ tồn tại trong trạng thái chuyển động. Không có phôtôn đứng yên.

c. Giải thích định luật giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng

Anh−xtanh cho rằng, hiện tượng quang điện xảy ra do êlectron trong kim loại hấp thụ phôtôn của ánh sáng kích thích. Phôtôn bị hấp thụ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho êlectron. Năng lượng ε này được dùng để.

− Cung cấp cho êlectron một công A, gọi là công thoát, để êlectron thắng được lực liên kết với mạng tinh thể và thoát ra khỏi bề mặt kim loại;

− Truyền cho êlectron đó một động năng ban đầu;

− Truyền một phần năng lượng cho mạng tinh thể.

Nếu êlectron này nằm ngay trên lớp bề mặt kim loại thì nó có thể thoát ra ngay mà không mất năng lượng truyền cho mạng tinh thể. Động năng ban đầu của êlectron này có giá trị cực đại ${\text{W}}_{0d}=\frac{m{v}_{0\max }^2}{2}$

+ Để hiện tượng quang điện xảy ra thì năng lượng của photon ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng công thoát:

$\epsilon \ge Ahayh\frac{c}{\lambda }\ge A\Rightarrow \lambda \le \frac{hc}{A}$

Đặt ${\lambda }_0=\frac{hc}{A}\Rightarrow \lambda \le {\lambda }_0$

4. Lưỡng tính sóng − hạt của ánh sáng

+ Có nhiều hiện tượng quang học chứng tỏ ánh sáng có tính chất sóng (như giao thoa, nhiễu xạ...); lại cũng có nhiều hiện tượng quang học khác (quang điện ngoài, quang điện trong, phát xạ, hấp thụ,…) chứng tỏ ánh sáng có tính chất hạt. Điều đó chứng tỏ: Ánh sáng có lưỡng tính sóng − hạt.

+ Trong mỗi hiện tượng quang học, ánh sáng thường thể hiện rõ một trong hai tính chất trên. Khi tính chất sóng thể hiện rõ, thì tính chất hạt lại mờ nhạt, và ngược lại.

+ Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng lớn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ, như ở hiện tượng quang điện, ở khả năng đâm xuyên, ở tác dụng phát quang..., còn tính chất sóng càng mờ nhạt. Trái lại, sóng điện từ có bước sóng càng dài, phôtôn ứng với nó có năng lượng càng nhỏ, thì tính chất sóng lại thể hiện rõ hơn (ở hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc,...), còn tính chất hạt thì mờ nhạt.