ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก

          เมื่อแสงที่มีความถี่เหมาะสมตกกระทบผิวหน้าของโลหะ จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก และเรียกอิเล็กตรอนนั้นว่าโฟโตอิเล็กตรอน จากการศึกษาอย่างละเอียดพบว่า

1. โฟโตอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อแสงตกกระทบมีความถี่สูงกว่าค่าหนึ่งซึ่งเป็นค่าจำเพาะสำหรับสารนั้นๆ ความถี่ต่ำสุดที่มำให้เกิดโฟโตอิเล็กตรอนได้นี้เรียกว่า ความถี่ขีดเริ่ม (threshold frequency)
2. ถ้าใช้แสงที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ขีดเริ่ม พลังงานส่วนที่เกินนี้จะไปทำให้โฟโตอิเล็กตรอนมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ปรากฏว่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนไม่ขึ้นกับความเข้มของแสงนั้นๆ แต่ขึ้นกับความถี่
3. จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนขึ้นกับความเข้มของแสง ถ้าลดความเข้มของแสงลง จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนจะลดลงด้วย

          ผลข้อ 2 ขัดกับทฤษฎีคลาสสิกของฟิสิกส์อย่างยิ่ง เพราะตามทฤษฏีดังกล่าว พลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนควรจะขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงโดยตรง ส่วนผลข้อ 3 นั้น ทฤษฎีคลาสสิกอธิบายไม่ได้เลย

          ในปี ค.ศ.1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์(Albert Einstein)  สามารถอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตรอนนี้ได้อย่างถูกต้อง เขาเสนอว่าแสงควรมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคได้ด้วย เรียกว่า โฟตอน(photon) และใช้ทฤษฏีของพลังค์กำหนดค่าพลังงานของโฟตอนนั้น กล่าวคือ อนุภาคแสง 1 โฟตอนที่มีความถี่ u มีพลังงาน E_u = hu คิดเป็น 1 ควอนตัม ค่าพลังงานของโฟตอนเป็นค่าเฉพาะสำหรับแสงที่มีความถี่หนึ่งๆ เท่านั้น ดังนั้นพลังงานของ 1 ควอนตัมของแสงสีแดง 1 โฟตอน มีค่าน้อยกว่าพลังงาน 1 ควอนตัมของแสงสีนำเงิน 1 โฟตอน (แสงสีน้ำเงินมีความถี่สูงกว่า)

คำอธิบายของไอน์สไตน์สำหรับผลการทดลองแต่ละข้อเป็นดังนี้

1. ปัญหาของความถี่ขีดเริ่ม

   การที่จะดึงอิเล็กตรอนให้หลุดออกมาจากผิวหน้าโลหะได้ ต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุดเท่ากับแรงดึงดูดที่โลหะมีต่ออิเล็กตรอนนั้น จากทฤษฎีของพลังค์ พลังงานของแสงแต่ละชนิดขึ้นอยู่กับความถี่ ดังนั้นถ้าเขียนแทนความถี่ต่ำสุดว่า    u_min   และแรงดึงดูดของอิเล็กตรอนว่า W (work function) ดังนั้น

    

   W = hu min

   
   
   

2. ปัญหาพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจากแสงชนิดหนึ่งๆ

   ถ้าเราใช้แสงที่มีความถี่ u พลังงานของแสงคือ hu ( u  มากกว่า u_min    ส่วนที่เหลือจะใช้เป็นพลังงานของอิเล็กตรอนนั้น ดังนั้น

    

   พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน = h( u- umin)

    

   u_minมีค่าคงที่สำหรับโลหะชนิดหนึ่งๆ ดังนั้นพลังงานจลน์สูงสุดจึงแปรผันโดยตรงกับ u

    

3. ปัญหาความเข้มของแสงกับจำนวนโฟโตอิเล็กตรอน

   เนื่องจากความเข้มของแสงขึ้นอยู่กับพลังงานของแสงโดยตรง(ความเข้ม คือ พลังงานต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลา) ถ้าให้พลังงานของแสงทั้งหมดที่ตกกระทบต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ของผิวหน้าโลหะเป็น  E_r

   ดังนั้น

    

   จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบ = Et/hu

    

   และ

    

   จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบต่อ 1 วินาที = I/hu

• E_t คือพลังงานของแสงทั้งหมดที่ตกกระทบ
• hu คือ พลังงานของแสง 1 โฟตอน
• I คือความเข้มของแสง

จากนี้ไอน์สไตน์ให้ข้อสมมุติฐานที่สำคัญอีกข้อหนึ่งว่า

"1 โฟตอนจะทำให้เกิด 1 โฟโตอิเล็กตรอนเท่านั้น"

          ผลงานของไอน์สไตน์ชิ้นนี้เป็นจุดเริ่มต้นของความคิดที่ว่า แสงมีสมบัติเป็นอนุภาคที่เรียกว่า โฟตอน นอกเหนือจากความเป็นคลื่นตามที่เคยทราบกันมาแต่ก่อน