普朗克用能量量子化假设解释黑体辐射规律的论文发表后，虽然受到普遍的质疑，但也引起了一个人的兴趣，这个人就是爱因斯坦。当然，那时候的他还是个默默无闻的专利局小职员，就算这个职位，也是经过两年多的失业痛苦后才好不容易谋到的。
爱因斯坦具有敏锐的科学洞察力，他不但利用洛伦兹变换建立了狭义相对论，而且还利用普朗克的能量量子化假设解释了光电效应，从而揭示了光的本质。
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4.1 爱因斯坦的光子理论
普朗克提出电磁波携带的能量是量子化的，不同频率电磁波的能量量子为hν，但他并没有提到电磁波为什么会出现这一份一份的能量单元，而且他认为这一份一份的能量单元仍然是振动的波。
爱因斯坦则敏锐地认识到，这一份一份的能量单元里大有文章。当时已经知道光是一种电磁波，他把黑体辐射和光电效应的实验现象结合起来考虑，又思考了牛顿的光粒子学说，从而认识到，如果把这一份一份的能量量子看作是粒子，光通过具有粒子性的能量量子进行传播并与物质发生相互作用，则光电效应问题迎刃而解。爱因斯坦将这种能量点粒子称为光量子，后来人们改称为光子。
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爱因斯坦给出了光子的能量公式，即
E=hν
式中，E 为每个光子的能量，ν 为光的频率。
1905 年，爱因斯坦发表了阐述这一观点的论文，题为《关于光的产生与转化的一个试探性观点》。他在论文中将光电效应作为光子理论的一个事例进行了解释，并从理论上推导出了描述光电效应的光电方程。
他在论文中这样写道：
“在我看来，关于黑体辐射、光致发光、光电效应以及其他一些有关光的产生和转化现象的实验，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解。按照我的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量量子所组成，这些能量量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。”
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光子学说可以很好地解释光电效应。因为每一个光子的能量都是固定的hν，那么光照射到金属表面，金属所受到的打击主要取决于单个光子的能量而不是光的强度，光的强度只是光子流的密度而已。
打比方来说，光子就是子弹，能否打穿钢板只取决于子弹的动能，而与子弹的发射密度无关。如果是大口径步枪，一颗子弹就能击穿钢板，如果是玩具手枪射出的塑料子弹，一百把手枪同时发射也打不穿钢板。在光电效应实验中，紫外线就是大口径步枪的子弹，可见光就是玩具手枪的子弹，所以很弱的紫外线就可打出电子，而再强的可见光也打不出电子，因为可见光的强度高只不过意味着塑料子弹密集发射而已。因为光子能量是hν，所以被光子打出来的电子的动能就与光的频率ν 成正比，而与光强无关。
1909 年，爱因斯坦在一次国际会议上进一步提出光子应该具有动量。1916 年，他在另一篇论文《关于辐射的量子论述》中给出了光子的动量公式为
p=h/λ
式中，p 为每个光子的动量，λ 为光的波长。
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其实推导光子的动量公式对爱因斯坦来说相当容易，他将自己的得意之作狭义相对论中的质能方程用在光子身上，得到光子动能为
E=mc2
而在他的光量子理论中光子动能为
E=hν=hc/λ
二者联立起来，就得到
p=mc=h/λ
式中，c 为光速，它既是光子运动的速度，也是电磁波传播速度。
在此爱因斯坦巧妙地将代表波动性的能量公式E=hν 和代表粒子性的能量公式E=mc2 结合在一起，实现了波动性和粒子性这两种表现形式的统一。
4.2 光子理论是牛顿粒子论的回马枪吗？
光子概念的提出，既符合普朗克的能量量子化假设，又能很好地解释光电效应，按理说应该引起人们的重视，可是因为当时大家已经公认了光就是电磁波，现在爱因斯坦又重提粒子论旧谈，明显与麦克斯韦电磁场理论相抵触，所以很多科学家都视之为奇谈怪论，甚至连普朗克都表示反对。
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光子理论真的是重提粒子论旧谈吗？
爱因斯坦在他的光子理论中给出了两个重要公式：
光子能量E=hν
光子动量p=h/λ
式中，λ 为光的波长，ν 为光的频率，h 是普朗克常数。
这两个公式看起来简单，实际很不简单。爱因斯坦通过这两个公式把粒子和波联系起来了：粒子的能量和动量是通过波的频率和波长来计算的，也就是说，爱因斯坦把光同时赋予了粒子和波的属性，光具有波粒二象性！
可见，光子理论并不是旧的粒子论，而是结合了粒子性和波动性的新理论，这是一个伟大的新发现。
普朗克对爱因斯坦的相对论很早就给予高度评价，但对光子理论却持否定态度，实在是令人困惑。然而，这似乎又不奇怪，如前所述，正是普朗克本人在多少年中都试图将他自己的能量量子理论纳入经典物理学范畴，当然，这是不可能成功的。
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尽管被普遍质疑，但事实胜于雄辩。1916 年，密立根在进行了10年的光电效应实验工作后，终于全面地证实了爱因斯坦光电方程的正确性。科学家们不得不认真审视光量子理论，并最终承认了它。爱因斯坦因此获得了1921 年的诺贝尔物理学奖，密立根获得了1923 年的诺贝尔物理学奖。
4.3 原子能量量子化与原子光谱
1913 年，丹麦物理学家玻尔利用量子化假设以及光子理论对氢原子的线状光谱做出了解释。
玻尔提出一个新的原子结构模型（见图4-1），此模型中，原子中电子的运行轨道是固定的，每一个轨道对应一个固定的能量，即轨道能量是量子化的。电子只能在确定的分立轨道上运行，此时并不辐射或吸收能量，只有当电子在各轨道之间跃迁时才有能量辐射或吸收。
另外，能量是以光子形式辐射或吸收的，辐射或吸收光子的能量就是两个跃迁轨道的能量之差，即
ΔE=hν
式中，ΔE 是两个跃迁轨道的能量之差，也就是光子的能量；ν 为光子的频率。
由于轨道能量是量子化的，所以辐射或吸收光子的能量也是量子化的，所对应光子的频率也是量子化的，因此，原子光谱的谱线是分离的而不是连续的。玻尔据此对氢原子光谱的波长分布规律作出圆满的解释，随后又得到多种渠道的实验验证。
现在看来，玻尔的原子模型还很不完备，比如“轨道”这种说法仍是经典的概念，实际上电子并没有固定的运动轨迹。另外它也只能解释氢原子（只含一个电子）的光谱，对多电子原子的光谱则会出现很大偏差。
但不管怎么说，此模型提出了原子能量量子化的观点，这在当时已经属于巨大的进步，玻尔也因此获得了1922 年的诺贝尔物理学奖。
4.4 量子理论与光的本性
普朗克的能量量子化理论、爱因斯坦的光量子理论，以及玻尔的原子轨道能量量子化理论，成功地解释了当时物理学界的三大难题，而其基础都建立在量子化假设上，于是引起了当时科学家对量子理论研究的热潮，为量子力学的产生奠定了基础，同时也再一次引起人们对于光的本性的探讨。
如前所述，人们曾经为光的波动说和粒子说争论不休，但谁也没有意识到它们并非水火不容。第一个将光的波动性和粒子性结合起来考虑的人是爱因斯坦。他认为电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量hν 的微粒形式出现，而且在空间运动时也具有这种微粒形式，也就是光子。
早在1905 年，爱因斯坦在他提出的光量子假说中，就隐含了波动性与粒子性是光的两种表现形式的思想。1909 年，爱因斯坦又撰文讨论电磁辐射问题，明确了光的波动性和粒子性是融合在一起的。1916 年，他更加明确了光量子的粒子性质，提出光量子应具有单一方向的动量，这是粒子性的重要体现。
爱因斯坦在1916 年指出，根据狭义相对论，光子具有能量的同时也应具有单一方向的动量，原子或分子发射光子时，不仅会发生能量转移，而且应受到反冲作用而发生动量转移。要知道，只有两个粒子碰撞才能产生反冲作用，所以如果发现这个反冲作用，就能有力地证明光子是一种粒子。
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