Vì sao quang lượng tử không phải là hạt vật chất, cũng không phải là sóng?
Song lí thuyết này khi đối mặt với kết quả thực nghiệm của hiệu ứng quang điện lại luôn tỏ ra bất lực. Cái gọi là hiệu ứng quang điện chỉ ra rằng: Khi dùng ánh sáng chiếu rọi lên bề mặt kim loại, sẽ làm cho electron trong kim loại văng ra ngoài. Ngay từ năm 1872, Stoletov của Trường đại học Tổng hợp Matxcơva đã phát hiện ra hiện tượng này. Sau đó các nhà vật lí người Đức, Hertz và cộng sự đã nghiên cứu về vấn đề này và đạt được nhiều thành quả.
Khi người ta tìm cách dùng thuyết chuyển động sóng của ánh sáng để giải thích hiệu ứng quang điện, kết luận rút ra được là: khi cường độ ánh sáng tăng lên, tốc độ của electron bị văng ra khỏi kim loại cũng phải tăng lên.
Song kết quả thực nghiệm cho thấy, khi dùng ánh sáng của cùng một tần số chiếu rọi, bất kể là cường độ ánh sáng lớn bao nhiêu, tất cả electron quan sát được đều có tốc độ như nhau. Cũng có nghĩa là, tốc độ của electron bị văng ra khỏi kim loại không có quan hệ gì với cường độ ánh sáng! Hơn nữa, khi tần số ánh sáng đạt một giá trị cực hạn nào đó thì mới làm cho electron văng ra khỏi kim loại trong điều kiện ánh sáng chiếu đến. Vả lại, electron trong kim loại có thể bị đánh bật ra hay không, vấn đề này có liên quan với tần số của ánh sáng, nghĩa là tốc độ electron văng ra khi dùng ánh sáng tím chiếu rọi lớn hơn khi dùng ánh sáng đỏ chiếu rọi! Thế là thuyết chuyển động sóng của ánh sáng rơi vào tình trạng khó khăn trước các kết quả thực nghiệm.
Với tư duy sáng tạo, Einstein khảo sát hiệu ứng quang điện từ một góc độ hoàn toàn khác. Ông đưa ra lí thuyết về ánh sáng và quang lượng tử. Theo lí thuyết này, năng lượng của ánh sáng do từng suất từng suất năng lượng đơn nguyên nhỏ nhất không liên tục tổ hợp thành, và độ lớn của năng lượng đơn nguyên ấy vừa đúng tỉ lệ thuận với tần số ánh sáng. Ánh sáng vẫn có tần số (hoặc bước sóng) giống như chuyển động sóng, song nó còn có đặc tính “hạt” nhỏ xíu – từng đơn nguyên năng lượng một. Như vậy, ánh sáng chẳng qua là một chùm dòng năng lượng, trong đó năng lượng đơn nguyên thứ nhất gọi là quang lượng tử (photon). Khi ánh sáng chiếu xạ lên bề mặt kim loại, nó trao năng lượng của quang lượng tử cho electron, quang lượng tử liền biến mất, còn electron nhận được năng lượng của photon, lại cộng thêm năng lượng tự có của nó liền có thể từ trong kim loại vọt ra. Do năng lượng của quang lượng tử chỉ liên quan với tần số ánh sáng, cho nên chỉ có ánh sáng có tần số lớn hơn một trị số nhất định, mới có thể cung cấp năng lượng đầy đủ làm cho electron trong kim loại bị bật ra ngoài. Như vậy, lí thuyết quang lượng tử đã dùng phương thức ngắn gọn rõ ràng giải thích hiệu ứng quang điện.