奇怪的光电效应，在很长一段时期里，是一个使人们困惑不解的难题。因为，按照光的波动理论来解释，金属表面层的电子必须由入射光那里得到足够的能量，才能从金属表面脱出来；而光的能量大小是由光强度决定的，光的强度大小又是由光波的振幅决定的，与光波的频率毫无关系。如此看来，只要入射光强度足够大，或者照射时间足够长，不管其频率如何，总能够给金属表面电子提供足够的能量，使之克服原子引力而脱出表面来，即产生光电效应。显而易见，这种解释同前述是矛盾的。而且，实验表明，如果入射光频率比某极限频率低，即使这种入射光很强，照射时间足够长，也不能从金属中激发出电子来；反之，如果入射光频率比某极限频率高，即使这种入射光很弱，照射时间很短，也能将其能量迅速集中起来而给予电子，使电子从金属表面飞出来。这一切，都是经典的波动理论所无法作出圆满的回答。因此，物理学家们不得不去探索新途径。

1900年，德国物理学家普朗克在研究电磁辐射的能量分布时，发现经典理论在实验事实面前的无能，创造性地提出了一个“量子”理论，并用它解释了电磁现象。他指出：电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地成量子的状态进行的，每一份就是一个能量子，每一份能量都是一个常数的整数倍。

经计算证明，普朗克理论同实验结果完全相符。普朗克理论突破了物理学所面临的困境，为量子力学和光子学的研究和发展开辟了一条新路。普朗克提出的“电磁波以能量子形式传播”，是一个崭新的概念，是对物理学的一大贡献，为了纪念他，人们就将普适恒量称为普朗克常数。

1905年，爱因斯坦推广了普朗克的辐射能量子概念，很好地阐述了光电效应。他指出：光在传播过程中，具有波动的特性；光在发射和吸收的过程中，却有类似粒子的性质。光本身只能一份一份地发射，一份一份地吸收，也就是说，发射和吸收的能量都是光的某一最小能量的整数倍，这最小的一份能量称为光量子，简称为光子。

按照光子概念，当光子入射到金属表面时，光子的能量全部为金属中的电子吸收，电子将得来的能量一部分用于挣脱金属对它的束缚，即作脱出功，余下的一部分就变成电子离开金属表面后的动能了。根据能量守恒和转换定律，这就是爱因斯坦光电效应方程式。其中，光电子的最大初动能，光电子离开金属表面所作的脱出功。这就表明了光电子动能同照射光频率、脱出功之间的关系。

电子要从金属表面脱离出来，就必须克服金属原子的引力，作一定数量的脱出功。对于不同的金属来说，电子从这种金属的表面脱出时，克服原子引力所作的功是不同的。不同频率的光照射，其光子能量也各不相同，射到金属表面上时，可以被金属中的某个电子所立即“吃掉”，而不需要将能量累积起来，故极其迅速地转化为电子动能。如果照射光的光子的能量足够大，则电子“吃饱吃够”之后动能也足够大，大到能够克服这种金属内部原子对它的引力，那么，此时电子就可以离开该金属表面而逃脱出来，成为光电子，这就是光电效应发生之原因。如果金属表面的电子接受了光子的能量，除克服该金属内部原子对它们引力之外，还绰绰有余，即表现为脱出金属表面后还有初动能。如果电子接受光子的能量太少，甚至连金属表面层电子也不足以克服引力而脱出，那么，照射光的频率必定小于该金属的极限频率，在这种情况下，电子吸收光子的能量之后，可能向各个方向运动，有的向金属内部运动而去，这些电子肯定是不会脱出金属表面来的；而从金属内部向表面运动的电子，由于其经过的路径和相互作用所造成的能量损失各不相同，脱出表面时的初动能也就各不相同；只有金属表面上的电子，吸收光子的能量之后，直接脱离金属表面而成为光电子，才具有最大初动能。这些直接从金属表面脱出的光电子克服原子引力而作功，即为脱出功，此功是因各种金属原子结构、引力差异而各不相同的，也就是说，对于不同的金属，脱出功的大小也不同。

光子理论成功地解释了光电效应：

1.照射光的强度是由单位时间内到达金属表面的光子数目决定的，而被激发出的光电子数又与光子数目成正比，这些被激发出来的光电子全部到达极形成了饱和电流。因此，饱和电流就与被激发出来的光电子数成正比，也就是与达到金属表面的光子数成正比，即与照射光强度成正比。

2.由爱因斯坦方程可见，对于一定的金属来说，其脱出功为常数，光子的频率越高，光电子的能量就越大。

3.如果照射光的频率过低，那么，电子根本就不可能脱离金属表面，即使照射光很强，也就是这种频率的光子数很多，但仍不会有光电效应发生。只有当照射光的频率时，电子才能脱离金属，这个极限频率所对应的波长，称为光电效应的红限，不同物质有不同的红限。

容易失去电子的金属，例如碱金属，其红限是在可见区域内，而其它大多数金属的极限频率是在紫外区域。

4.金属中的电子能够一次全部吸收入射的光子，因此光电效应的发生，不需要积累能量的时间，是“一触即发”的。

爱因斯坦的理论公式，于1916年被密立根实验所证实，该实验得出了某些金属的截止电压和入射光频率之间的严格的线性关系。

爱因斯坦的光子说，圆满地阐明了光电效应的机理，从而也表明了光还具有不连续性或量子性的一面。这可以从如下实验看出来。

用伦琴射线直接照射到一薄膜上，使激发出一种波长极短的荧光，从光的量子性观点来看，其能量较大。在两侧对称地放置一个计数器和射入计数器的光子能在不超过0.001秒的时间里引起反应，通过与它相连的静电计的振动而记录在纸带上。如果发出的荧光是波的话，则应当是对称地向四周发射的，两个记数器所记录下来的结果就是一致的；如果发出的荧光不是波，而是一份一份不连续的量子的话，则一个光量子不可能同时射入两个计数器（或者是射向左侧的计数器，或者是射向右侧的计数器），这样一来，计数器中的记录将是无规则、相互不一致的。实验结果表明，记录纸上的踪迹果然是后一种情况。这就证实了发出的不是连续的对称波，而确实是不连续的光量子。

光量子不连续性的观察实验，是苏联物理学家瓦维洛夫最先获得成功的。首先，由于光源发出的光量子并不是均匀有规律的，而是无秩序地飞出来的，有时飞出来的光子多一些，有时飞出来的光子就少一些，因此，在光源发光强度特别微弱的情况下，从光源发出的光子流的起伏就有可能为眼睛所观察出来。为了防止眼球本身不自觉的活动而引起的视觉变化，干扰实验过程中的观察，瓦维洛夫采用了一个红色的点光源，放在发光点的近旁，在用眼睛观察发光点的同时，又看到旁边的红色点光源，因而眼球就不能够习惯地活动，可以相对地固定一些了。其次，由于眼睛具有视觉暂留的作用，光子的起伏现象可能觉察不出来，为此，还采用了一个圆盘，在圆盘的边缘上开一个小孔，圆盘每秒转过1圈，则同小孔、光源处于同一直线上的眼睛，就能每1秒钟看见一次闪光了。这时，逐渐调节光源，当光变得特别微弱时，从光源发出的起伏的光量子流，在数目少的时候不能为眼睛所看见，只有在数目多的时候眼睛才能观察出来。因此，在圆盘转动之后，就不一定每秒钟都能够看见一次闪光了。这样，瓦维洛夫终于用眼睛直接看见了光量子的不连续性。这个实验，又一次证明了光的量子性。

在光电效应中，具有一定频率的光照射在某种金属的表面上，其中的电子吸收了光子的能量之后，从金属表面飞出来，成为光电子；而在相反的情况下，那是我们很熟悉的，在发光过程中，电子在导体中运动，其能量不断转化为光子的能量，光子从灯丝上飞出来，形成耀眼的光。光能变成电能，电能转为光能，光子和电子何等亲密啊！