O efeito fotoelétrico
A teoria da luz de Maxwell, em que a luz é simplesmente uma onda eletromagnética, abria a possibilidade de serem produzidos outros tipos de ondas eletromagnéticas a partir de circuitos elétricos. Hertz, no fim do século XIX, foi a primeira pessoa a ter sucesso nessa área. Durante as suas experiências, Hertz observou que a luz produzida por uma faísca num circuito podia induzir uma corrente elétrica em outros circuitos afastados que usava para detectar as ondas eletromagnéticas.
Uns poucos anos mais tarde, com a descoberta do eletrão por parte de Thomson, ficou claro que o efeito observado por Hertz, designado de efeito fotoelétrico, era devido ao escape de alguns eletrões num metal, quando é atingido por luz.
A energia eletromagnética da luz é absorvida pelos eletrões no metal, fazendo com que alguns deles saltem para fora do metal. O problema que ninguém conseguia explicar no início do século XX era porquê a energia dos eletrões libertados por efeito fotoelétrico não aumenta quando aumenta a intensidade da luz, mas sim aumenta em função da frequência da luz incidente. De facto há uma frequência limiar da luz por baixo da qual não ocorre efeito fotoelétrico.
A energia dos eletrões libertados por efeito fotoelétrico pode ser medida ligando à célula fotoelétrica uma fonte externa, que contrarie a força eletromotriz da célula fotoelétrica, de modo que a corrente no circuito seja nula.
Em 1905, quando já não restavam dúvidas acerca da natureza ondulatória da luz, Einstein publicou um artigo onde explica perfeitamente o efeito fotoelétrico, admitindo que a luz fosse composta por corpúsculos —fotões— com energia diretamente proporcional à frequência da luz.
Na teoria dos fotões, a energia que transporta a luz não varia em forma contínua, mas sim em forma discreta; podem ser emitidos 1, 2, 3, etc. fotões, mas não uma fração deles. Essa teoria explicava também o sucesso da hipótese de Planck (1900), quem para poder explicar o espetro de luz produzido por um objeto quente, admitiu que a energia da radiação do objeto só podia ter valores discretos: um quantum de energia.
Os trabalhos de Planck e de Einstein dariam origem à física quântica. Na física quântica todos os objetos físicos são tanto ondas como partículas (dualidade onda-partícula). A energia passa de um lugar para outro como se fosse uma onda, mas é absorvida ou produzida de forma discreta, como se tratasse de partículas.
Ao final a luz, tal como qualquer tipo de matéria, é tanto onda como partícula. Isso é o que acontece no mundo submicroscópico, mas ao nível macroscópico da nossa experiência quotidiana aparece uma distinção clara entre ondas e partículas.