I.        Alapfogalmak és Kiindulási pontok

1. Az anyag atomos szerkezetére utaló jelenségek

      1.1.      Dalton törvénye

John Dalton angol természettudós 1808-ban fogalmazta meg atomhipotézisét, amely szerint a kémiai anyag részecske szerkezetű: az elemek legkisebb részecskéje az atom, a vegyületeket az atomok kapcsolódásából létrejövő molekulák alkotják.

A részecskékből álló szerkezet kísérleti bizonyítéka a részecskék rendezetlen hőmozgása. A Brownmozgás, amelyet először Robert Brown botanikus figyelt meg, az apró szilárd részecskék folyadékokban és gázokban megfigyelt zegzugos mozgása, amelyet a rendezetlen hőmozgás okoz. A jelenséget Albert Einstein írta le matematikailag statisztikai meggondolásokkal 1905-ben, kísérletileg Jean Perrin francia fizikus igazolta az oldatokban lévő kolloid részecskék mozgását vizsgálva.

 2. Avogadro törvénye

Az Avogadro-szám megadja, hogy 1 mol anyagmennyiségben hány részecske van.

3. A klasszikus fizika nem megválaszolt kérdései

A 19. század végén a klasszikus fizika már lezártnak tűnt, maradtak azonban olyan problémák, amelyeket nem sikerült megmagyarázni. Ilyen jelenségek a hőmérsékleti sugárzás, a fotoeffektus, a hidrogén vonalas színképe és az elektromágneses hullám vákuumbeli terjedésének ellentmondásos éter hipotézise.

II.       Hőmérsékleti sugárzás

1. Abszolút fekete test, Üregsugárzás

Kirchoff, a színképelemzés egyik kidolgozója, megállapította, hogy bármely anyag emissziós ás abszorpciós színképe egymás komplementerei. Tehát az anyag ugyanolyan sugárzást bocsát ki, mint amilyet képes elnyelni. Minden anyag egy adott frekvencia és hullámhossz tartományon képes sugározni.

Az abszolút fekete test egy olyan idealizált test, amely minden sugárzást elnyel, ezért minden hullámhosszon képes sugározni. Gyakorlati szempontból az abszolút fekete test jól megközelíthető egy belül fekete, korommal bevont dobozzal, amely oldalán lévő rés mérete jelentősen kisebb a doboz oldalánál. Mivel az érdes szénnel bevont felszínről a vékony fénysugár diffúz módon verődik vissza, a fény jelentős része jó közelítéssel abszolút fekete testnek tekinthető. Az abszolút fekete test sugárzástát üregsugárzásnak is nevezzük.

2. Wien-féle eltolódási törvény

Az emisszióképesség az 1 másodperc alatt, egységnyi felületről, egységnyi térszögeben kibocsátott energia. Értéke függ az abszolúthőmérséklettől és a hullámhossztól.

Adott hőmérsékleten minden elektromágneses hullámhoz tartozik egy adott emisszióképesség. Minden hőmérséklethez tartozik tehát egy olyan emisszióképesség-hullámhossz görbe, amely a kibocsátott energiát ábrázolj az elektromágneses hullám hullámhosszának függvényében. Ezen görbe mind kicsiny, mind nagyon nagy hullámhosszértékhez kicsiny kibocsátott energiát rendel. A növekvő hőmérsékletű görbék egymás fölött helyezkednek el, a hőmérséklet növekedésével a függvény maximumhelye a rövidebb hullámhossz irányába tolódik el.

A Wien-féle eltolódási törvény kimondja, hogy a hőmérsékleti sugárzás maximumhelye fordítottan arányos az abszolúthőmérséklettel, szorzatuk a Wien-féle állandó .

3. Stefan-Boltzmann törvény

A Stefan-Boltzmann törvény kimondja, hogy adott hőmérsékleten az abszolút fekete test által másodpercenként egységnyi felületről kibocsátottenergia egyenesen arányos az abszolúthőmérséklet negyedik hatványával, hányadosuk a Stefan-Boltzmann állandó.

4. Planck kvantumhipotézise

Max Planck német elméleti fizikusnak 1900-ban sikerült a Wien-féle eltolódási képet értelmezni. Szembe menve a klasszikus fizika folytonosság elvével, miszerint a tetszőleges kicsiny rész létezik, az elektromágneses hullámok energiakibocsátását nem folytonos jelenségként értelmezte. Az elektromágneses sugárzás energia adagok, kvantumok formájában ad le energiát. Az egy kvantum által hordozott energia és az elektromágneses hullám frekvenciája egymással egyenesen arányos, hányadosuk tehát állandó. Hányadosuk értéke a Planck állandó. ℎ A fény kvantumosságát azért nem érzékeljük, mert az egy foton/fotokvantum által hordozott energia nagyon kis energiát hordoz.

III.      A fotoeffektus jelensége

1. Kísérleti tapasztalatok és klasszikus fizika ellentétjei

      1.1.      Az elektronemisszió

Az elektronemissziónak három fajtája van. A termikus emisszió során a hőközlés hatására válnak ki elektronok. Hideg emisszió során az erős elektromos tér szakít ki elektronokat. Fotoemisszió során pedig fény vagy más frekvenciájú elektromágneses sugárzás léptet ki elektronokat.