Albert Einstein
Työ ja saavutukset > Annus mirabilis > Valon kvanttiluonne ja valosähköinen ilmiö

Valosähköisen ilmiön selittäminen on kvanttimekaniikan kivijalka. Ilmiön avulla huomattiin sähkömagneettisella säteilyllä olevan aaltomaisen luonteen lisäksi myös hiukkasluonne. Tästä kehittyi myöhemmin aalto-hiukkasdualismi. Valosähköisessä ilmiössä on kyse siitä, että kun metallia säteilytetään tietyn taajuisella sähkömagneettisella säteilyllä, kuten valolla, metallista irtoaa elektroneja. Einstein keksi, että valon energia absorboituu elektroneihin kvantteina. Jos säteilyllä on tarpeeksi energiaa, se saa elektronin irti metallista. Ilmiön selittämisestä Einstein sai Nobelin fysiikanpalkinnon. Valon hiukkasluonnetta vahvistavat muun muassa mustan kappaleen säteily ja Comptonin sironta. Ilmiö on havaittavissa useilla aineilla, mutta parhaiten se kuvastuu juuri metalleissa. Materiaalista karanneita elektroneja kutsutaan usein fotoelektroneiksi. Fotonin energia saadaan kaavasta:
missä
h on Planckin vakio
f on taajuus
\phi =hf_{0}\  on jokaiselle metallille ominainen irrotustyö. Se on pienin mahdollinen energia, jolla delokalisoitunut elektroni saadaan irrotetuksi.
{\frac {1}{2}}mv_{m}^{2} on irronneen elektronin suurin mahdollinen liike-energia
Jos fotonin energia (Planckin vakion ja taajuuden tulo) ei ole suurempi kuin irrotustyö (φ), elektroni ei irtoa.
Gustav Kirchhoff esitti jo vuonna 1860 ongelman, joka koski mustan kappaleen säteilyä. Kirchhoffin aikainen tekniikka ei ollut tarpeeksi kehittynyttä, jotta hänen emissiota ja absorptiota koskevia teesejään, jotka ovat voimassa kaikilla aineilla, olisi voitu testata. Kirchhoffin mukaan mustien kappaleiden emissiokyvyn määrittelee funktio, joka riippuu lämpötilasta ja säteilyn taajuudesta. Kirchhoffin mukaan funktion keksiminen olisi todella tärkeää koko fysiikan kannalta. Kirchhoff kuoli vuonna 1887, ja vasta tämän jälkeen tekniikka kehittyi niin paljon, että teoriaa voitiin arvioida mittaustulosten perusteella. Wilhelm Wienin keksimä kaava oli parhaimpia siihenastisista, mutta se ei toiminut infrapunan matalilla taajuuksilla.
Max Planck keskittyi ongelmaan vuodesta 1894 lähtien. Hänen mukaansa kaiken takana oli jotakin absoluuttista. Heinrich Rubens ja Ferdinand Kurlbaum keksivät niin sanotun jäännössäteilymenetelmän, joka antoi aivan omaa luokkaansa olevia tuloksia infrapunasäteilystä korkeissa lämpötiloissa. Rubens vieraili vaimonsa kanssa Planckien luona 7. lokakuuta 1900. Rubens kertoi saamistaan mittaustuloksista Planckille, joka oli oletettavasti innoissaan asiasta, koska vieraiden lähdettyä hän alkoi luoda teoriaa ja keksi samana iltana säteilykaavan. Seuraavina viikkoina hän pohti kaavan teoreettista tulkintaa. Planck esitteli 14. joulukuuta 1900 tulkintansa, jonka mukaan lämpövärähtelyjen energia koostuu täsmälleen yhtä suurista paketeista. Planck ja muut tuon ajan fyysikot pyrkivät yhtenäistämään Planckin tulkintaa klassisesta fysiikasta. Fyysikot eivät kyseenalaistaneet valon aaltoluonnetta, toisin kuin Albert Einstein.
Einsteinia innostivat Planckin teoria energiapaketeista ja myös Heinrich Hertzin huomio siitä, että kipinän kirkkaus kasvaa, kun kipinöintialueelle kohdistetaan ultraviolettisäteilyä. Einstein kyseenalaisti eetterin jo opiskeluvuosinaan, ja vaikuttaisi siltä, että Einstein keksi valokvantit jo vuonna 1901. Einstein ei kuitenkaan julkaissut ajatustaan missään virallisesti. Ihmevuotenaan 1905 hän julkaisi viisisivuisen artikkelin, joka käsitteli sähkö­magneettisen säteilyn kvanttiluonnetta ja valosähköistä ilmiötä. Sen sijaan, että Planckin vuonna 1900 esittämän teorian mukaan vain lämpösäteily syntyy tietyn suuruisina kvantteina, Einsteinin mukaan kvantti­luonne on aina ominaista valolle ja muille sähkö­magneettisen säteilyn muodoille, syntyvätpä ne millä tavalla tahansa. Tämän olettamuksen avulla Einstein selitti valosähköisen ilmiön ominaisuudet. Valokvantti sai myöhemmin nimen fotoni.
Ilmiön selittäminen on vaikuttanut suuresti teknologian kehittymiseen. Valosähköistä ilmiötä käytetään hyväksi muun muassa fotodiodeissa ja aurinkopaneeleissa, joilla tuotetaan sähköä mm. satelliitteihin tai ladataan kesämökin akkuja.