HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN VÀ PHOTON
Năm 1886 nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz đã làm thí nghiệm với bộ phóng điện để phát sóng điện từ - đó là hai quả cầu kim loại. Khi áp vào chúng một hiệu điện thế giữa chúng phát sinh tia lửa điện; còn khi ông chiếu sáng một trong hai quả cầu bằng các tia tử ngoại, thì sự phóng điện lại mạnh lên. Bằng cách đó người ta đã phát hiện được hiệu ứng quang điện ngoài.
Năm 1888, một người Đức khác tên là Wilhelm Hallwachs (l854 - 1922), đã xác định được rằng, một bản kim loại được chiếu sáng bằng ánh sáng tử ngoại thì trở nên tích điện dương. Khám phá thứ hai về hiệu ứng quang điện đã diễn ra như thế. Cũng năm ấy một người Italia có tên là Auusto Righi (l850 - 1921) đã có khám phá thứ ba về hiệu ứng này mà không hay biết gì về các thí nghiệm của Hertz và Hallwachs. Ông giải thích rằng, hiệu ứng quang điện có thể xảy ra cả trong các kim loại lẫn điện môi. Righi đã tạo ra được hiệu ứng quang điện - đó là một dụng cụ có thể biến ánh sáng thành dòng điện. Song câu chuyện về hiệu ứng quang điện vẫn chưa kết thúc: nhà vật lý người Nga Aleksandr Grigoryevich Stoletov (1839 - 1896) là nhà bác học thứ tư, độc lập với những người kia đã khám phá ra hiệu ứng quang điện (năm 1888). Bằng cách dùng một tế bào quang điện có cấu tạo đặc biệt trong vòng hai năm Stoletov đã nghiên cứu một cách toàn diện hiện tượng mới mẻ này và nêu ra các quy luật cơ bản của nó. Hoá ra, cường độ dòng quang điện (dòng điện xuất hiện dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại, thứ nhất là tỷ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng tới, và thứ hai là với một cường độ chiếu sáng ấn định trước thì nó mới đầu tăng theo mức tăng hiệu điện thế nhưng khi đạt tới một giá trị xác định (dòng bão hoà) thì không tăng thêm nữa.
Năm 1899 một người Đức tên là Philipp Lenard (l862 - 1947) và một người Anh tên là Joseph Thomson đã chứng minh được rằng ánh sáng đập vào bề mặt kim loại làm bật ra từ đó các electron. Các electron này chuyển động và làm xuất hiện dòng quang điện. Tuy nhiên người ta không hiểu được bản chất của hiệu ứng quang điện khi vận dụng điện động lực học cổ điển. Người ta cũng không cắt nghĩa được vì sao dòng quang điện chỉ xuất hiện khi tần số của ánh sáng tới phải lớn hơn giá trị hoàn toàn xác định đối với mỗi kim loại.
Chỉ tới năm 1905 Einstein mới làm cho điều bí ẩn này thành một bức tranh hoàn toàn sáng sủa và dễ hiểu đến từng chi tiết. Bằng cách phát triển giả thuyết lượng tử của Planck, ông đã cho rằng bức xạ điện từ không đơn giản được bức xạ theo từng phần nhỏ - mà còn được truyền đi trong không gian và được vật chất hấp thụ cũng dưới dạng từng phần nhỏ - các lượng tử ánh sáng (các photon). Chính vì thế nên để hiệu ứng quang điện xảy ra, điều quan trọng tuyệt nhiên không phải là ở cường độ chùm ánh sáng tới.
Điều chính yếu là một lượng tử ánh sáng riêng lẻ có đủ năng lượng để bứt electron ra khỏi vật chất không. Năng lượng tối thiểu cần thiết để làm được việc đó, gọi là công thoát W. Rốt cuộc, Einstein đã đưa ra phương trình sau đây nhờ hiệu ứng quang điện:
Hv = W + Ek (2)
Ở vế trái năng lượng được cho bởi công thức (1) là năng lượng mà photon nhường cho electron của vật chất còn ở vế phải - là công thoát của electron ra khỏi vật chất cộng với động năng Ek của electron đã được giải phóng. Rõ ràng là chỉ có sóng ánh sáng có tần số đủ cao mới có thể gây ra hiệu ứng quang điện, còn cường độ dòng quang điện thì tỉ lệ với cường độ của dòng ánh sáng bị hấp thụ, nghĩa là tỷ lệ với số photon có khả năng bức được electron khỏi vật chất. Lý thuyết Einstein hoàn toàn giải thích được tất cả các dữ liệu thực nghiệm.
Năm 1907 Einstein, trong khi nghiên cứu lý thuyết nhiệt dung của các chất rắn đã giải thích rõ thêm giả thuyết lượng tử. Vì sao, vật thể (nguyên tử, phân tử, tinh thể) lại bức xạ ánh sáng theo Planck, chỉ theo từng lượng nhỏ? Bởi vì, Einstein trả lời, các nguyên tử chỉ có một bộ gián đoạn các giá trị năng lượng khả dĩ. Như vậy, lý thuyết bức xạ và hấp thụ đã có được dạng hoàn chỉnh.
Một người Mỹ tên là Arthur Compton (1892 - 1962) đã có được chứng cứ xác nhận quan trọng nhất về các lượng tử ánh sáng vào năm 1922. Ông phát hiện ra rằng bước sóng của bức xạ Rơntgen bị thay đổi khi tán xạ trên các electron của vật chất. Nhưng theo điện động lực học cổ điển khi tán xạ bước sóng ánh sáng không thể thay đổi được. Khi Compton thực hiện tính toán đã giả thuyết rằng tán xạ lên electron không phải là các sóng mà là các hạt (các photon). Kết quả tính toán trùng với thực nghiệm. Đó là bằng chứng trực tiếp về sự tồn tại thực tế của các photon.
