Sähkömagneettinen säteily voi irrottaa elektroneja metallista vain, mikäli sen taajuus ylittää metallille ominaisen kynnystaajuuden. Tämä ilmentää säteilyn energian kvantittumista ja kvanttien eli fotonien energian riippuvuutta taajuudesta.
Valosähköilmiössä fotonin energia ([[$hf$]]) muuntuu irrotustyöksi ([[$W_0$]]) ja irtoavan elektronin liike-energiaksi ([[$E_\text{k}$]]): [[$ hf=W_0+E_\text{k} $]]
Säteilyn yksittäisen fotonin energian tulee olla irrotustyötä suurempi, jotta valosähköilmiö tapahtuu.
Valosähköilmiössä irtoavien elektronien liike-energia voidaan määrittää sähkökentän tekemän työn perusteella. Virtapiiriin säädetään pysäytysjännite [[$U$]], jolloin sähkökentän tekemän työn tiedetään olevan liike-energian suuruinen, [[$E_\text{k}=QU$]]. Kaavassa [[$Q$]] on elektronin varaus eli alkeisvaraus e.
Matalataajuuksinen (pitkäaaltoinen) säteily ei synnytä valosähköilmiötä, koska yksittäisen fotonin energia ei riitä irrottamaan elektronia.
Kynnystaajuudella fotonin energia on irrotustyön suuruinen, jolloin elektroneja irtoaa.
Suurella taajuudella irtoaa elektroneja, joilla on sitä enemmän liike-energiaa, mitä suurempi on säteilyn taajuus.
Fotoni
Sähkömagneettisen säteilyn energia esiintyy paketteina (kvantteina), joita kutsutaan fotoneiksi. Säteilyllä on siis sekä aalto- että hiukkasluonne.
Säteily absorboituu tai emittoituu kokonaisina fotoneina.
Fotonin energia: [[$E_\text{fotoni}=hf$]]. Kaavassa [[$h$]] on Planckin vakio ja [[$f$]] sähkömagneettisen säteilyn taajuus.
Aaltoliikkeen perusyhtälön avulla fotonin energia voidaan kirjoittaa myös muodossa: [[$E_\text{fotoni}=\dfrac{hc}{\lambda}$]]. Kaavassa [[$c$]] on valonnopeus ja [[$\lambda$]] sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus.
Fotonilla on liikemäärä: [[$ p=\dfrac{h}{\lambda} $]]
Aaltohiukkasdualismi
Sekä sähkömagneettinen säteily että hiukkaset ovat luonteeltaan dualistisia. Sekä sähkömagneettisella säteilyllä että hiukkasilla on aallon ja hiukkasen ominaisuuksia.
[[$m$]]-massaisilla, nopeudella [[$v$]] etenevillä hiukkasilla on niiden aalto-ominaisuutta kuvaava de Broglien aallonpituus: [[$ {\lambda}=\dfrac{h}{mv} $]].
Kaksoisrakokoe
Kaksoisrakokokeessa paljastuu hiukkasten tai valon dualistinen luonne.
Yksittäiset hiukkaset tai heikko valo havaitaan osuvan levylle yksittäisinä hiukkasina.
Pidemmän ajan kuluessa suuri määrä paikallistumia muodostaa useita intensiteettimaksimeja ja minimejä sisältävän interferenssikuvion, joka on aallolle ominainen ilmiö.
Koska kuvio muodostuu, vaikka hiukkaset kulkevat raosta yksi kerrallaan, aaltoluonne on yksittäisen hiukkasen, ei vain hiukkasjoukon ominaisuus.
Kvanttimekaniikka
Kvanttimekaniikka on teoria, joka kuvaa aaltohiukkasdualististen hiukkasten käyttäytymistä.
Kvanttimekaniikan ilmiöt ilmenevät lähinnä mikroskooppisen mittakaavan tilanteissa.
Kvanttimekaniikan keskeisiä ominaisuuksia:
Ennustaa vain todennäköisyyksiä, mittaustuloksia ei voi tietää etukäteen.
Hiukkasten ominaisuuksilla, kuten paikalla, voi olla useita arvoja yhtä aikaa.
Useat suureet, kuten hiukkasen energia, ovat kvantittuneita, eli voivat saada vain tiettyjä arvoja.
