W 1690 roku Christiaan Huygens opublikował swój traktat o świetle Traité de la Lumière . Opisał w nim światło jako składające się z fal poruszających się w eterze, który, jak sądzono, przenika przestrzeń.

Izaak Newton oświadczył w swojej książce Opticks z 1704 r. , że się z tym nie zgadza. Kiedy światło odbija się od powierzchni, zachowuje się jak odbijająca się piłka; kąt, pod jakim zbliża się do powierzchni, jest równy kątowi, pod jakim się odbija. Newton argumentował, że zjawisko to można wyjaśnić między innymi tym, że światło składa się z cząstek, które nazwał „cząsteczkami”. Szklany pryzmat załamuje wiązkę białego światła w tęczę kolorów. Newton zauważył, że kiedy światło zostało następnie ponownie załamane przez drugi pryzmat, nie uległo dalszemu podziałowi; kolory tęczy pozostały takie same. Newton powiedział, że można to wyjaśnić zakładając, że białe światło składa się z wielu różnych korpuskuł o różnych rozmiarach. Światło czerwone składało się z największych korpuskuł; fioletowy składał się z najmniejszych. Newton powiedział, że ich różne rozmiary powodują, że ciałka są przeciągane przez szkło z różnymi, przyspieszonymi prędkościami. To je rozłożyło, tworząc tęczę kolorów, których nie dało się dalej rozbić na drugi pryzmat.

W 1902 r. Philipp von Lenard

badając zjawisko fotoelektryczne zauważył, że powyżej pewnej wartości dodatniego napięcia przyłożonego do płytki zanika prąd emisji, przy czym napięcie to zależy wyłącznie od częstotliwości padającego światła, a nie jego natężenia.

W1902 r. ustalił empiryczne prawa rządzące zjawiskiem fotoelektrycznym:

1) liczba elektronów jest proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania elektromagnetycznego;

2) maksymalna energia elektronów jest wprost proporcjonalna do częstości promieniowania, nie zależy natomiast od jego natężenia;

3) istnieje granica częstości νgr, poniżej której zjawisko nie zachodzi, tzn. promieniowanie o częstości niższej niż charakterystyczna dla danego metalu częstość graniczna nie powoduje emisji elektronów.

W 1903 r. Einstein zajął się zjawiskiem fotoelektrycznym, wnikliwie i owocnie już zbadanym przez Lenarda.

W 1906 r. A. Einstein zasugerował, jako pierwszy, że energia kwantyzacji jest własnością samego promieniowania.
Poszedł dalej niż M. Planck i dopowiedział, że łatwo sobie wyobrazić takie procesy absorpcji i emisji porcjami, gdyż samo promieniowanie widocznie składa się z kwantów energii (energiequanten), a energia promieniowania o określonej częstości zawiera z reguły wiele takich kwantów energii.

Einstein wskazał, że wiele niewytłumaczalnych eksperymentów mogłoby być wyjaśnione gdyby energia fali świetlnej była zlokalizowana w punktowych kwantach, poruszających się niezależnie od siebie.

A. Einstein w swym artykule: „O pewnym heurystycznym punkcie widzenia na produkcję i przemianę światła” (1905) używa pojęcia promień świetlny (lichtstrahl).
Kluczowe zdania w tym artykule brzmią:

Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdende Räume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können...
According to the assumption considered here, when a light ray starting from a point is propagated, the energy is not continuously distributed over an ever increasing volume, but it consists of a finite number of energy quanta, localized in space, which move without being divided andwhich can be absorbed or emitted only as a whole.

Zgodnie z wprowadzonym tu założeniem, gdy promień światła (lichtstrahl), rozchodzi się od jakiegoś punktu, jego energia nie jest rozłożona w sposób ciągły w narastającej objętości, ale składa się ze skończonej liczby niepodzielnych kwantów energii (energiequanten), zlokalizowanych w przestrzeni, absorbowanych i emitowanych zawsze w całości.

Jak widzimy, w tej powyższej pracy Einsteina, pojawił się wzór wiążący energie elektronu Πε wybitego z powierzchni metalu, z częstotliwością ν padającego kwantu światła.

Πε = (R/N) βν − P
który zawierał stałą Plancka w zakamuflowanej pierwotnej postaci
Πε – energia hamująca w przeprowadzanym doświadczeniu (zastępcza wobec energii kinetycznej elektronu)
Π – potencjał hamujący w przeprowadzanym doświadczeniu

ε – ładunek elektronu

h = (R/N) β

R  – uniwersalna stała gazowa
N_A  – stała Avogadra
β = 4,866*10^-11[grad*sec]
P  –  energia uwolnienia elektronu z metalu, praca wyjścia
Światło monochromatyczne padające na powierzchnię metalu wybija z niego elektrony, ale tylko wtedy, gdy częstość przekracza pewną wartość progowa, charakterystyczną dla każdego metalu.
Elektrony wylatują, gdy padające światło ma częstość większą niż progowa, a gdy częstość jest mniejsza od progowej, nie ma w ogóle fotoelektronów.

Jedyną reakcją metalu na zwiększenie natężenia światła jest uwolnienie większej liczby elektronów.
Einstein wytłumaczył to w sposób bardzo prosty. Założył, że światło pada na metal, a jego promienie świetlne (lichtstrahles), ze swymi kwantami energii (energiequanten), trafiają elektrony w atomach.
Elektron taki przejmuje kwant energii, wykonuje pracę wyjścia i następnie wylatuje z metalu z konkretną energią kinetyczną E_kin(Πε), równą różnicy kwantu energii (energiequant) (R/N) βν i energii P, jaką elektron musiał pokonać by wydostać się z metalu.
Πε = (R/N) βν − P
uogólniony następnie na:
hν = W + P
Π – potencjał hamujący w przeprowadzanym doświadczeniu

ε – ładunek elektronu
P – praca, jaką elektron musiał pokonać by wydostać się z metalu (praca wyjścia)
W – energia kinetyczna elektronu po opuszczeniu metalu
Einstein, co ważne, stwierdził też, że elektron może też nie przyjąć w całości kwantu energii promienia świetlnego i w takim wypadku w równaniu zjawiska fotoelektrycznego byłby znak mniejszości:

Πε + P < (R/N) βν
Próba wyjaśnienie przez A. Einsteina zjawiska fotoelektrycznego, poprzez hipotezę promieni świetlnych, trafiających elektrony, nie przekonywała wielu fizyków.
I te właśnie promienie świetlne, trafiające elektrony, były tym einsteinowskim niewyważeniem, na które wielu ówczesnych fizyków, m. inn: Robert Millikan, zwracało uwagę a w przypadku M. Plancka, wręcz się nie zgadzało.

Przechodząc do konkluzji, w efekcie fotoelektrycznym, wg Einsteina, dochodzi do zderzenia dwóch cząstek: promienia świetlnego z elektronem uwięzionym w metalu. Kwant energii promienia świetlnego, pochłaniany w całości przez elektron, idzie częściowo na pracę wyjścia P i reszta unoszona jest przez ten elektron W.

Z tych jego rozważań wynika jego roboczy wzór:
(R/N) βν = Πε + P
uogólniony następnie na:
hν = W + P
W – energia kinetyczna E_kin elektronu
P – praca wyjścia elektronu z metalu

Ale nie wynika z niego w żadnym wypadku, jak twierdził Einstein, że elektron jest trafiany przez promień świetlny (lichtstrahl) a jego kwant energii (energiequant) przyjmowany w całości przez elektron.

Wynika tylko, że energia kinetyczna wylatujących elektronów W, jest proporcjonalna do częstotliwości ν padającego światła.

Bowiem, to nie einsteinowskie promienie świetlne, ze swymi ładunkami kwantów energii, trafiają elektrony w atomach i wybijają je z metalu, ale określona energia padającego światła zależna od ν, przenika do atomu w wyniku czego atom wyrzuca z siebie elektron na zewnątrz.
Elektron, będąc w w stanie energetycznego uwięzienia w atomie, nie jest swobodnym, by można było mu przekazywać energię i dlatego można tylko mówić o przyjmowaniu energii przez atom, który jest w stanie tzw. podenergii względem naszego otoczenia.

W owym czasie (1904 r.) był już znany model atomu Thomsona i jest, co najmniej nieprofesjonalnym, mówić o ich trafianiu i wybijaniu elektronu z metalu.
Znane już też było, po stworzeniu w 1859 r. przez Kirchoffa i Bunsena analizy widmowej,

widmo emisyjne wodoru (1885 r.) z jego serią Balmera

oraz wzór ją opisujący:

które było bardzo wymowne w swym kwantowym obrazie.
Ustalenie rozkładu energii E = f(ν), a tym samym zależności energii fotoelektronów, od częstotliwości ν padającego światła było w owym czasie bardzo trudne.

W roku 1907 Emil Ladenburg doszedł do wniosku, że z jego pomiarów wynika proporcjonalność energii elektronów do ν².

Podobny wniosek podał w roku 1911 Jakob Kunz, ale w tymże roku Frederick Lindemann znalazł proporcjonalność energii elektronów do ν^2/3.

Arthur Hughes w 1913 r. potwierdził zależność liniową, którą wyprowadził Einstein, ale wyniki uzyskane w tymże roku w eksperymentach Davida Corneliusa, a także Richardsona i Karla Comptona mogły być opisane równie dobrze przez proporcjonalność energii fotoelektronów do ν², ale także do ν³, a nawet log ν.

Dowodzi to, że efekt fotoelektryczny niekoniecznie musiał przebiegać wg zależności Einsteina.

Einstein był zwolennikiem korpuskularnej teorii Newtona. Newton w swojej książce „Optyka” unikał wyraźnego stwierdzenia, czym jest światło, choć pośrednio cały tekst ujawniał pogląd korpuskularny na naturę światła. Newton twierdził, że światło składa się z drobnych cząsteczek (korpuskuł), które przemieszczają się z ogromnymi prędkościami. Dzięki temu światło "podróżuje" po liniach prostych i powoduje powstawanie ostrego cienia.

Newton interpretował wyniki swych badań z pryzmatami jako dowód na korpuskularną naturę światła. Dopiero 1705 r. Newton postawił wprost pytanie, czy światło nie składa się z cząstek? Nigdy jednak nie sformułował tej hipotezy jako jedynej możliwej do przyjęcia.

Ogromny autorytet Newtona, który nie wierzył w falową teorię światła, głoszoną przez Christian Huygensa czy Roberta Hooka, przemawiał na jego korzyść. Jeszcze na początku XIX wieku teoria Newtona miała wielu zwolenników, ale nowe fakty doświadczalne poprawnie wyjaśniane teorią falową spowodowały, że została ona uznana za poprawną.
W 1905 r. A. Einstein wykorzystując teorię o kwantach energii oscylatorów M. Plancka, na gruncie zjawiska fotoelektrycznego, przywrócił do życia korpuskularną teorię Newtona, już nie z maleńkimi kuleczkami ale promieniami świetlnymi (lichtstrahles) jako kwantami energii (energiequanten).

Ostatecznie sprawę efektu fotoelektrycznego i zależność energii fotoelektronów od częstości padającego światła została definitywnie rozstrzygnięta dopiero w 1916 r. przez R. Millikana,

który przeprowadził bardzo staranne i precyzyjne doświadczenie. Metodę Millikana przedstawia poniższy rysunek.

Światło monochromatyczne pada na powierzchnie metalu, zwykle alkalicznego, powodując wybijanie elektronów. W pobliżu powierzchni światłoczułej jest umieszczona elektroda zbierająca o regulowanym potencjale – U względem katody. Mierzy się prąd fotoelektronów.
Jeżeli założymy, że wszystkie elektrony są emitowane z tą samą energią kinetyczną E_kin, zgodnie z E_kin= hν - W, to jest rzeczą jasną, ze żaden elektron nie dotrze do elektrody zbierającej, gdy eV > E_kin .
Możemy, zatem mierzyć prąd w zależności od potencjału hamującego U i jeżeli przez U₀oznaczymy potencjał, przy którym prąd staje się równy zeru, to powinniśmy mieć

U₀ = (h/e)ν – W/e

h = e*tgα ; tgα = ΔV₀ /Δν

eU = E _max = hν – W

gdzie:
e – ładunek elektronu, e = 1,6 x 10 ^-19 C,
U – napięcie hamowania
W – praca wyjścia (stała materiałowa)

Stałą Plancka oraz pracę wyjścia elektronu można wyliczyć z zależności:

h = e*tgα ; tgα = ΔU₀ /Δν

eU = E _max = hν - W

W = hν_i - eU_i

Wykres potencjału U₀ , w zależności od częstotliwości powinien więc być linią prostą. Linia ta jest przedstawiona na poniższym rysunku pochodzącym z pracy Millikana. Na podstawie nachylenia tej prostej możemy wyznaczyć te stałą h/e, a na podstawie punktu przecięcia z osią U₀ – stałą materiałową W/e.

Pojęciowo jest to bardzo proste i jasne, lecz przeprowadzenie pomiarów tak, aby otrzymać wyniki dokładne i powtarzalne wymaga niezwykłej staranności. Co ciekawe, że o tym powyższym doświadczeniu Millikana możemy przeczytać tylko w nielicznych książkach.

Absolutnie, z doświadczenia Millikana, nie wynika, że elektron jest trafiany przez poruszający się niezależnie od innych promień świetlny, punktowy kwant, jak twierdził Einstein. Wynika tylko, że energia kinetyczna wylatujących elektronów jest proporcjonalna do częstości padającego światła.

Pierwszy artykuł R. Millikana, który ukazał się w styczniu 1916r, zaczynał się od krytycznego zdania na temat teorii kwantów energii.

Robert Millikan, Phys. Rev. 7, 355 (1916), jako zwolennik jedynie falowej teorii światła od rzeczy mówi:

Równanie fotoelektryczne Einsteina na maksymalna energie emisji ujemnego elektronu pod wpływem światła nadfioletowego, a mianowicie m*v^2/2 = U*e = h*ν - P, nie może być, w mej opinii, uznawane obecnie za oparte na jakichkolwiek zadowalających podstawach teoretycznych.

W drugim artykule Millikan szczegółowo przedstawił metodę przeprowadzania pomiarów i ponownie wyraził swą krytyczną opinie na temat, poruszający się niezależnie od innych, punktowych kwantów, promieni światła.

Robert Millikan, Phys. Rev. 7, 355 (1916) dalej jako zwolennik jedynie falowej elektromagnetycznej teorii światła od rzeczy mówi:

„W roku 1905 Einstein po raz pierwszy powiązał zjawisko fotoelektryczne z teoria kwantowa, wysuwając śmiałą, ... hipotezę elektromagnetycznej korpuskuły światła o energii ε = hν, która przy absorpcji jest przekazywana elektronowi. Hipoteza może być słusznie nazwana lekkomyślna, ponieważ po pierwsze, zaburzenie elektromagnetyczne, które pozostaje zlokalizowane w przestrzeni, wydaje się gwałcić sama koncepcje zaburzenia elektromagnetycznego, a po drugie, uderza ona w dokładnie ustalone fakty dotyczące interferencji.”

W zakończeniu tego artykułu, Phys. Rev. 7, 355 (1916), Millikan dalej stwierdził:

Przypuszczalnie jest jeszcze za wcześnie, aby z cała ufnością potwierdzić uniwersalność i dokładną stosowalność równania Einsteina we wszystkich obszarach. Przyznać jednak należy, ze obecne eksperymenty stanowią znacznie lepsze uzasadnienie tego potwierdzenia niż dotychczas znalezione. Jeśli to równanie ma taka stosowalność, to z pewnością musi być uznane za jedno z najbardziej fundamentalnych i najdalej sięgających równań fizyki, gdyż musi rządzić przekształcaniem się całej energii elektromagnetycznej krótkich fal w ciepło. Jednakże półkorpuskularna teoria, dzięki której Einstein doszedł do swego równania, wydaje się obecnie zupełnie nie do utrzymania.

R. Millikan otrzymał Nagrodę Nobla za: „for his work on the elementary charge of electricity and on the photo electric effect”.
Jego wykład noblowski wygłoszony 23 maja 1924 r. miał tytuł: „The electron and the light-quant from the experimental point of view”.
Oto, co powiedział R. Millikan:
Fakt, iż Nauka idzie naprzód na dwóch nogach, którymi są teoria i doświadczenie, nie znajdzie nigdzie lepszej ilustracji niż w dwóch dziedzinach, za mój skromny wkład do których spotkał mnie wielki zaszczyt otrzymania Nagrody Nobla z fizyki za rok 1923.

Czasami jedna noga robi najpierw krok do przodu, a czasami druga, ale stały postęp dokonuje się tylko przy użyciu obu – przez teoretyzowanie poddawane następnie sprawdzeniu, bądź przez znajdowanie nowych zależności przy eksperymentowaniu, czego następstwem jest ruch teoretycznej nogi do przodu, i tak na przemian, bez końca.

Po dziesięciu latach sprawdzania, zmieniania i uczenia się, a czasem i błądzenia, kierując od początku cały wysiłek na dokładny pomiar energii fotoelektronów, bądź to w funkcji temperatury lub długości fali, czy też w zależności od materiału (potencjały kontaktowe), praca ta zaowocowała w 1914 r., wbrew moim oczekiwaniom, pierwszym dokładnym eksperymentalnym dowodem, w ramach niewielkich błędów doświadczalnych, równania Einsteina oraz pierwszym bezpośrednim wyznaczeniem planckowskiego h na podstawie zjawiska fotoelektrycznego.

Praca ta, podobnie jak ta o elektronie, musiała przejść przez „ścieżkę zdrowia” surowej krytyki, ponieważ aż do roku 1916 dyskusja toczyła się nie tylko nad tym, czy jest jakąś graniczna prędkość emisji, ale inni badacze, którzy sadzili, ze istnieje liniowa zależność miedzy energią i częstością, nie znajdowali tej samej stałej h, jako ilorazu tych wielkości.
Obecnie jednak można bez przesady powiedzieć, ze eksperymenty wykonane przez wielu badaczy, używających różnych metod w różnych laboratoriach, dostarczyły niepodważalnych dowodów na to, że równanie Einsteina obowiązuje dokładnie (oczywiście w ramach obecnych małych błędów doświadczalnych) i we wszystkich przypadkach, co jest być może najbardziej widocznym osiągnięciem Fizyki Doświadczalnej ostatniej dekady.

Myślę, że w wyniku wszystkich tych metod i eksperymentów słuszność równania Einsteina jest w ogólności uznawana i pod tym względem realność einsteinowskich kwantów światła została doświadczalnie ustalona. Jednakże koncepcja zlokalizowanych kwantów światła, z której Einstein wywiódł swoje równanie, musi być ciągle uważana za wielce niepewną.

Na I Kongresie Solvayowskim (1911-Bruksela) bez wahania mówiono o teorii względności, ale z wahaniem o hipotezie kwantów.

Photograph of the first conference in 1911 at the Hotel Metropole. Seated (L-R): W. Nernst, M. Brillouin, E. Solvay, H. Lorentz, E. Warburg, J. Perrin, W. Wien, M. Curie, and H. Poincaré. Standing (L-R): R. Goldschmidt, M. Planck, H. Rubens, A. Sommerfeld, F. Lindemann, M. de Broglie, M. Knudsen, F. Hasenöhrl, G. Hostelet, E. Herzen, J.H. Jeans, E. Rutherford, H. Kamerlingh Onnes, A. Einstein and P. Langevin.

Podobne stanowisko wykazywał również M. Planck. Na tymże I Kongresie Salvayowskim w 1911 r. powiedział:

Solvay-Konferenz Druga i trzecia teoria kwantowa Plancka
Po Konferencji Solvay w 1911 roku, gdzie kwestie prawa promieniowania Plancka były omawiane, Planck czynił dalsze próby doprowadzenia prawa promieniowania do harmonii z fizyką klasyczną.
W opracowaniu w 1912 r. "drugiej teorii kwantowej" powiedział, że skwantowana może być tylko emisja, natomiast pochłanianie odbywa się w sposób ciągły. W 1914 roku opracował "trzecią teorię kwantową", już całkowicie bez skwantowana. Oczywiście, hipotezę kwantów światła Einsteina, odrzucał.
Nach der Solvay-Konferenz 1911, wo die durch das plancksche Strahlungsgesetz aufgeworfenen Probleme erläutert wurden, versuchte Planck, das Strahlungsgesetz mit der klassischen Physik in Einklang zu bringen.
Dazu erarbeitete er bis 1912 die „zweite Quantentheorie“, nach der nur die Emission von Energie quantisiert, die Absorption jedoch kontinuierlich erfolgt. Im 1914 legte er eine „dritte Quantentheorie“ vor, die vollständig ohne Quanten auskam. Nach wie vor lehnte er die Lichtquantenhypothese von Einstein ab.

N. Bohr też nie rozumiał korkuskularnej natury światła. W artykule, który opublikował w prawie 20 lat od pierwszego artykułu Einsteina, znajdujemy takie oto zdanie:

"Mimo iż potwierdzenie przewidywań Einsteina dotyczących zjawiska fotoelektrycznego wykazało wielka heurystyczna wartość tej hipotezy, w dalszym ciągu teoria kwantów światła nie może być oczywiście uznana za zadowalające rozwiązanie problemu rozchodzenia się światła."

A oto co 2 VI 1920 r. z okazji otrzymania Nagrody Nobla, na zakończenie swego przemówienia powiedział Max Planck::

Występuje w szczególności jeden problem, którego wyczerpujące rozwiązanie mogłoby w istotny sposób rozjaśnić nam obraz. Co się staje z energią oddzielnego kwantu energii po całkowitym zakończeniu emisji? Czy rozchodzi się ona we wszystkich kierunkach, podlegając prawom propagacji wynikającym z teorii falowej Huygensa, pokrywając coraz to większą przestrzeń i ulegając nieograniczonemu osłabieniu? Czy tez leci ona jak pocisk w jednym kierunku w sensie emisyjnej teorii Newtona? W pierwszym przypadku kwant nie byłby w stanie dostarczyć skoncentrowanej energii do pojedynczego punktu przestrzeni, tak by uwolnić elektron związany w atomie. W drugim zaś przypadku musielibyśmy poświęcić główny triumf teorii Maxwella – ciągłe przejście miedzy statycznymi i dynamicznymi polami, a wraz z tym pełne zrozumienie, które tak nas dotąd cieszyło, zbadanych w najdrobniejszych szczegółach zjawisk. Obie sytuacje unieszczęśliwiłyby dzisiejszych teoretyków.

Swój wykład M. Planck zakończył:

Tak czy owak, nie ma wątpliwości, ze nauka zdoła przezwyciężyć ten poważny dylemat, i to, co wydaje się dziś niezadowalające, będzie ostatecznie, oglądane z wyższego punktu widzenia, wyjątkowo proste i harmonijne. Zanim ten cel zostanie osiągnięty, problem kwantu działania nie przestanie inspirować i zapładniać badań. Im większe będą trudności hamujące rozwiązanie, tym bardziej znaczące ono będzie dla rozszerzenia i pogłębienia całej naszej wiedzy fizycznej.
Max Planck-The Genesis and Present State of Development of the Quantum Theory http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1918/planck-lecture.html

Minęło ponad dwadzieścia lat od ukazania się artykułu Einsteina, a nazwa „foton” jeszcze nie pojawiła się.
Zaproponował ja dopiero w 1926 r. Gilbert N. Lewis, profesor chemii fizycznej z Uniwersytetu w Berkeley choć jeszcze na gruncie falowej elektromagnetycznej teorii światła, pisząc w liście do Nature: Gdyby nie obiekcje, które wyglądają na nieprzezwyciężalne, można byłoby się pokusić o przyjęcie hipotezy, iż mamy tu do czynienia z nowym rodzajem atomu, identyfikowalnym obiektem, niestwarzanym i niezniszczalnym, który odgrywa role nośnika energii promienistej i po pochłonięciu pozostaje istotnym składnikiem atomu aż do chwili, gdy zostaje znowu wysłany, unosząc nowa porcje energii.

I dalej:
Byłoby niewłaściwe mówienie o tych hipotetycznych obiektach, jako cząstkach światła czy też kwantach światła, skoro zakładamy, ze spędzają one tylko drobny ułamek czasu swego istnienia, jako nośniki energii promienistej, pozostając przez cała resztę czasu ważnymi strukturalnymi składnikami atomów. Nazwanie ich po prostu kwantami prowadziłoby także do nieporozumień, ponieważ chcielibyśmy później odróżnić ich liczbę w atomie od tak zwanych liczb kwantowych.
I kluczowe zdanie:
Pozwalam sobie więc zaproponować dla tego hipotetycznego, nowego atomu, który nie jest światłem, ale odgrywa istotną rolę w każdym procesie radiacyjnym, nazwę foton. Zwracam uwagę na słowa, jakie użył Gilbert N. Lewis: dla tego hipotetycznego, nowego atomu, który ... nie jest światłem, … for this hypothetical new atom, which is not light, … The origin of the word "photon" "I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom, which is not light but plays an essential part in every process of radiation, the name photon." - Gilbert N. Lewis, 1926 http://www.nobeliefs.com/photon.htm
Określenie „foton”, weszło na trwałe do świata fizyki.

A. Einstein w liście do przyjaciela, Michele Angelo Besso (1951 r.) szczerze wyznaje:

All the fifty years of conscious brooding have brought me no closer to the answer of the question: What are light quanta? Of course, today ewery rascal things he knows the answer, but he is deluding himself.

Trwające pięćdziesiąt lat świadome rozmyślania nie przybliżyły mnie do odpowiedzi na pytanie: Czym są kwanty światła? Obecnie byle szelma myśli, że zna odpowiedź, ale się łudzi.

Resume:

Co to jest foton i skąd wiemy, że istnieje? Krótka odpowiedź eksperymentalna brzmi: „Foton to najmniejsza ilość światła, która spowoduje „kliknięcie” detektora. (Z jakiegoś powodu technologia hipotetycznego detektora światła nigdy tak naprawdę nie wyszła poza etap licznika Geigera – mimo że jest to wszystkich impulsów elektrycznych, nadal mówimy o detektorach światła tak, jakby wydawały słyszalne dźwięki.)

Wydaje się to bardziej stwierdzeniem ograniczonej wydajności detektora, ale w rzeczywistości można wykazać, że światło naprawdę pochodzi z dyskretnych „pakietów” energii. Nawet jeśli energia pojedynczego fotonu jest znacznie większa niż energia wymagana do wyzwolenia „kliknięcia” w detektorze, dla danej częstotliwości światła, energia będzie docierać jedynie w ilościach pojedynczych fotonów.

Skąd wiemy, że tak jest? Istnieją trzy wielkie eksperymenty historyczne, które wyznaczają kluczowe etapy na drodze do pełnej akceptacji modelu fotonowego: efekt fotoelektryczny, efekt Comptona i przeciwdziałanie skupieniu fotonów.

Efekt fotoelektryczny , jak można się domyślić z nazwy, polega na wykorzystaniu światła do wybicia elektronów z jakiejś substancji (w zasadzie każdy wyprodukowany detektor fotonów wykorzystuje jakąś formę efektu fotoelektrycznego). Zostało to odkryte mimochodem przez Heinricha Hertza podczas jego eksperymentów mających na celu wykazanie, że światło jest falą elektromagnetyczną, i stanowiło poważny problem dla falowego modelu światła. Na podstawie modelu fal można dokonać wielu przewidywań i tylko jedno z nich potwierdza się w eksperymentach.

Jedna z prac Einsteina z 1905 r. brzmiał „O heurystycznym punkcie widzenia dotyczącym produkcji i transformacji światła”, w której zaproponowano prosty model wyjaśniający efekt fotoelektryczny za pomocą skwantowanego światła. Pojawia się pojedynczy kwant światła, uderza w elektron wewnątrz metalu i dostarcza całej energii potrzebnej do wybicia go. Model ten radykalnie zmienia sposób, w jaki patrzymy na światło – Einstein określił go jako jedyną prawdziwie rewolucyjną rzecz, jaką zrobił w swojej karierze – ale odtwarza wszystkie zaobserwowane wyniki. Wytrzymuje nawet wrogie śledztwo – amerykański fizyk Robert Millikan postanowił obalić model Einsteina i ostatecznie potwierdził go w każdym szczególe (co nie przeszkodziło mu w tym, aby trochę się wkurzyć w swojej pracy ). Einstein i Millikan otrzymali w ramach tej umowy Nagrody Nobla.

Sam efekt fotoelektryczny nie był jednak wystarczający i okazuje się, że wszystkie ważne aspekty można odtworzyć, stosując klasyczny model światła ze skwantowaną materią (choć nie został on szczegółowo opracowany aż do lat 60. XX wieku). Eksperymentem, który naprawdę skłonił ludzi do poważnego potraktowania obrazu fotonowego, był efekt Comptona , eksperyment dotyczący rozpraszania promieni rentgenowskich przez elektrony, przeprowadzony przez amerykańskiego fizyka Arthura Holly'ego Comptona na początku lat dwudziestych XX wieku.

Efekt Comptona polega zasadniczo na zderzeniu dwóch cząstek: elektronu, który jest mniej więcej w spoczynku, i fotonu światła. W fotonowym modelu światła każdy kwant światła niesie ze sobą niewielką ilość energii, a zatem z konieczności niewielką ilość pędu, a oba te czynniki zależą od długości fali światła. Gdy foton zderzy się z elektronem, przekaże mu część swojej energii i pędu, co oznacza, że po zderzeniu foton opuszczający obszar ma inną długość fali niż foton, który wszedł. Zmiana długości fali jest w bardzo prosty sposób powiązana z kątem pomiędzy kierunkiem fotonu wychodzącego i fotonu wchodzącego.

Compton wystrzelił promienie rentgenowskie o znanej energii w kierunku metalowego celu (który zawiera mnóstwo elektronów, których energie są znacznie mniejsze niż energia fotonu) i przyjrzał się energii promieni rentgenowskich opuszczających cel pod różnymi kątami. Choć przeszedł przez typową serię błędnych interpretacji swoich danych, w końcu stwierdził, że jego obserwacje doskonale zgadzają się z przewidywaniami modelu fotonowego.

To przekonało większość ludzi, że pojęcie światła jako cząstki należy traktować poważnie, ale nie przypieczętowało to całkowicie porozumienia. Widziałem, jak stwierdzono, że efekt Comptona można również wyjaśnić za pomocą falowego modelu światła, chociaż nigdy nie czytałem dobrego wyjaśnienia, jak to działa, ale ogólnie panuje zgoda co do tego, że eksperyment, który całkowicie potwierdza istnienie fotonów, to eksperyment przeciw pękaniu fotonów przeprowadzony przez Kimble'a, Dagenais i Mandelaw 1977 r. (ponad 70 lat po artykule Einsteina wyjaśniającym efekt fotoelektryczny w kategoriach fotonów). Przeciwdziałanie skupieniu, jak można się spodziewać po nazwie, polega na pokazaniu, że fotony są dyskretnymi obiektami, które w odpowiednich okolicznościach zostaną rozłożone w czasie. Celem eksperymentu jest pokazanie, że fotony światła są emitowane pojedynczo i że „kliknięcia” detektora, które widzimy, tak naprawdę reprezentują pojedyncze fotony.

Zrobili to w ten sposób, że wzięli bardzo słabą wiązkę atomów sodu i oświetlili je światłem, gdy przechodziły w pobliżu detektora. Światło wzbudziłoby niektóre atomy do stanu o wyższej energii, a kilka nanosekund później spadłyby z powrotem do stanu podstawowego, emitując foton. Fotony te zostały następnie wyłapane przez detektor.

Wiązkę atomów wybrano tak, aby była bardzo słaba, tak więc zazwyczaj przed detektorem w dowolnym momencie znajdował się tylko jeden atom. W tym przypadku można spodziewać się określonego wzorca czasu przybycia fotonów do detektora – w szczególności można spodziewać się kilkunanosekundowego opóźnienia między wykryciem jednego fotonu a wykryciem innego, wynikającego z faktu, że że pojedynczy atom będzie musiał zostać ponownie wzbudzony i ponownie rozpaść się, aby wytworzyć drugi foton, który będzie można wykryć.

Tego efektu przeciwdziałającego skupiskom nie można wytłumaczyć klasycznym obrazem światła jako fali. Stosując model falowy, w którym światło emitowane jest w postaci ciągłej fali sinusoidalnej, można by się spodziewać pewnego prawdopodobieństwa „kliknięcia” detektora nawet w bardzo krótkich momentach. Tak naprawdę można łatwo wykazać, że każde falowe źródło światła musi mieć prawdopodobieństwo zarejestrowania drugiego kliknięcia bezpośrednio po pierwszym, co najmniej tak duże, jak prawdopodobieństwo zarejestrowania drugiego kliknięcia po dużym opóźnieniu. W większości przypadków prawdopodobieństwo jest w rzeczywistości wyższe w krótkich momentach, a nie mniejsze. Spadek prawdopodobieństwa drugiej detekcji w krótkim czasie można wytłumaczyć jedynie modelem fotonowym.

Kimble, Dagenais i Mandel zmierzyli czas potrzebny do dostrzeżenia drugiego fotonu po wykryciu jednego fotonu i odkryli dokładnie takie zachowanie, jakiego oczekiwali: w ciągu pierwszych kilku nanosekund po wykryciu jednego fotonu nie zobaczyli prawie żadnych fotonów, a kilka się zliczyło jak zauważyli, można przypisać maleńkiemu ułamkowi przypadków, w których przed detektorem znajdowały się dwa lub więcej atomów w tym samym czasie.

Te eksperymenty przeciwdziałające skupiskom powtarzano wiele razy z różnymi systemami, a wszystkie z tym samym skutkiem. Szczególnie ładną wersję stworzył Alain Aspect na początku lat 80. XX wieku, wykorzystując atomowe źródło kaskadowe do wytwarzania pojedynczych fotonów, co później zademonstrowało również interferencję pojedynczych fotonów. Późniejsze grupy wykorzystały nieliniowe kryształy do wytworzenia ogromnych ilości pojedynczych fotonów, co umożliwiło przeprowadzenie wszelkiego rodzaju sprytnych eksperymentów, aż do tego stopnia, że Kiko Galvez z Colgate wykorzystuje eksperymenty z pojedynczymi fotonami w laboratoriach licencjackich.

Jeśli chodzi o odniesienia do tego tematu, najlepszym zbiorem materiałów na temat cząsteczkowej natury światła, jaki widziałem, jest „ Quantum Challenge” Greensteina i Zajonca, w którym w przystępny sposób i bez pomijania zagadnień omawiane jest całe pytanie, skąd wiemy, że fotony istnieją. Szczegół. Jest trochę matematyki, ale nic strasznego. W Nature znajduje się także artykuł przeglądowy Antona Zeilingera z okazji stulecia (prawdopodobnie potrzebujesz subskrypcji, aby uzyskać do niego dostęp), który zawiera dobre, ale krótkie podsumowanie wielu ciekawych rzeczy, które zrobiono z fotonami w ciągu stu lat, odkąd Einstein zasugerował, że są one prawdziwy.

Wielki Al. Einstein 60 lat później.