Albert Einstein ist bekannt für die Relativitätstheorie und die Gleichung, die Masse und Energie gleichsetzt, aber keine der Leistungen brachte ihm den Nobelpreis ein. Diese Ehrung erhielt er für seine theoretischen Arbeiten in der Quantenphysik. Einstein entwickelte Ideen des deutschen Physikers Max Planck und schlug vor, dass Licht aus diskreten Teilchen besteht. Er sagte voraus, dass ein Lichteinfall auf eine leitende Metalloberfläche einen elektrischen Strom erzeugen würde, und diese Vorhersage wurde im Labor bewiesen.
Die duale Natur des Lichts
Sir Isaac Newton beschrieb das Verhalten von Licht, das durch ein Prisma gebeugt wird, und schlug vor, dass Licht aus Teilchen besteht. Er vermutete, dass die Beugung dadurch verursacht wurde, dass die Teilchen beim Durchqueren dichter Medien langsamer wurden. Spätere Physiker neigten zu der Ansicht, dass Licht eine Welle sei. Ein Grund dafür war, dass Licht durch zwei Schlitze gleichzeitig einfallendes Interferenzmuster erzeugt, was nur mit Wellen möglich ist. Als James Clerk Maxwell 1873 seine Theorie des Elektromagnetismus veröffentlichte, basierte er die Gleichungen auf der wellenartigen Natur von Elektrizität, Magnetismus und Licht – einem verwandten Phänomen.
Die ultraviolette Katastrophe
Die Eleganz der Maxwell-Gleichungen ist ein starker Beweis für die Wellentheorie der Lichttransmission, aber Max Planck war inspiriert diese Theorie zu widerlegen, um das Verhalten zu erklären, das beim Erhitzen einer "Black Box" beobachtet wird, aus der kein Licht gelangen kann Flucht. Nach den Erkenntnissen der Wellendynamik soll die Box beim Erhitzen unendlich viel ultraviolette Strahlung abstrahlen. Stattdessen strahlte es in diskreten Frequenzen – keine davon unendlich. Im Jahr 1900 entwickelte Planck die Idee, dass die einfallende Energie in diskreten Paketen "quantisiert" wurde, um dieses Phänomen zu erklären, das als ultraviolette Katastrophe bekannt war.
Der photoelektrische Effekt
Albert Einstein nahm sich Plancks Ideen zu Herzen und veröffentlichte 1905 eine Arbeit mit dem Titel "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light", in dem er den photoelektrischen Effekt erklärt, der erstmals von Heinrich Hertz in. beobachtet wurde 1887. Nach Einstein erzeugt Licht, das auf eine Metalloberfläche fällt, einen elektrischen Strom, weil Lichtteilchen Elektronen aus den Atomen herausschlagen, aus denen das Metall besteht. Die Energie des Stroms sollte sich nach der Frequenz – oder Farbe – des einfallenden Lichts ändern, nicht nach der Intensität des Lichts. Diese Idee war revolutionär in einer wissenschaftlichen Gemeinschaft, in der die Maxwell-Gleichungen gut etabliert waren.
Einsteins Theorie bestätigt
Der amerikanische Physiker Robert Millikan war zunächst nicht von Einsteins Theorien überzeugt und entwickelte sorgfältige Experimente, um sie zu testen. Er legte eine Metallplatte in eine evakuierte Glasbirne, bestrahlte die Platte mit Licht verschiedener Frequenzen und zeichnete die resultierenden Ströme auf. Obwohl Millikan skeptisch gewesen war, stimmten seine Beobachtungen mit Einsteins Vorhersagen überein. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis und Millikan erhielt ihn 1923. Weder Einstein, Planck noch Millikan nannten die Teilchen "Photonen". Dieser Begriff wurde erst verwendet, als er 1929 vom Berkeley-Physiker Gilbert Lewis geprägt wurde.