เมื่อนำแสงขาวมาผ่านปริซึมจะเกิดการหักเหของแสงได้สเปกตรัมของแสง ซึ่งมีสีเรียงตามลำดับจากความยาวคลื่นสั้นไปหายาว คือ ม่วง น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง เหมือนสีรุ้ง

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาเกี่ยวกับการเปล่งรังสีของวัตถุร้อนพบว่า เมื่อให้ความร้อนแก่โลหะต่างๆ จะมีการเปล่งรังสีออกมาเป็นแสงสีต่างๆ ขึ้นกับความร้อนที่ให้แก่แท่งเหล็ก แสดงว่าอะตอมของโลหะ สามารถเปล่งแสงออกมาเมื่อได้รับความร้อน

ในคริสตศตวรรษที่ 19 ปรากฏการณ์เกี่ยวกับการแผ่รังสีความร้อนสรุปได้ 2 ประการ คือ

1. ถ้าให้ความร้อนแก่วัตถุมาก วัตถุนั้นจะเปล่งรังสีออกมามากด้วย ทั้งในรูปของความร้อนและแสง ความเข้มของรังสีขึ้นกับอุณหภูมิของวัตถุ เช่น ถ้าเพิ่มอุณหภูมิเป็นสามเท่า ความเข้มอาจเพิ่มขึ้นถึง 100 เท่า
2. สี (หรือชนิด) ของรังสีที่วัตถุเปล่งออกมาขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เช่น ถ้าเราใช้ไฟเผาแท่งเหล็กซึ่งเดิมมีสีคล้ำ แต่เมื่อเผาไฟไปนานพอ เหล็กจะเริ่มเปล่งรังสีสีแดง ถ้าเผาให้ร้อนขึ้นกว่านั้นจะเป็นสีส้มและสีเหลือง และในที่สุดจะเป็นสีขาว

นักวิทยาศาสตร์พยายามจะเข้าใจปรากฏการณ์ของรังสีความร้อนและผลจากการทดลองนี้ เพื่อให้สะดวกจึงตั้งแบบจำลอง โดยสมมติให้วัตถุที่ใช้ศึกษาเป็นชนิดที่ดูดและคายรังสีความร้อนได้ดีที่สุด นั่นคือต้องเป็น วัตถุดำ (black body)

ทฤษฎีที่ว่าด้วยวัตถุดำในยุคแรกนั้นเป็นผลงานของเรย์เลห์ (Rayleigh) จีนส์ (Jeans) เคอร์ชฮอฟฟ์(Kirchhoff) และวีน(Wien) ซึ่งใช้ทฤษฎีคลาสสิกของฟิสิกส์อธิบาย โดยพิจารณาว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและถูกเปล่งออกมาเนื่องจากการสั่นสะเทือนของวัตถุที่มีประจุคือ อิเล็กตรอน เนื่องจากอิเล็กตรอนจะสั่นด้วยความถี่เท่าใดก็ได้ไม่จำกัด ดังนั้นรังสีที่เปล่งออกมาจากวัตถุดำที่ร้อน (ไม่ว่าจะอยู่ในรูปของแสงหรือความร้อน) จึงน่าจะมีความถี่เป็นค่าต่อเนื่อง เมื่อคำนวณความเข้มและพลังงานของแสงที่มีความถี่ต่างๆ โดยหาจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่สั่นสะเทือนด้วยความถี่นั้นๆเสียก่อน ก็ปรากฏว่าผลการคำนวณไม่ตรงกับผลการทดลอง และไม่สามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดวัตถุที่อุณหภูมิหนึ่งจึงเปล่งแสงที่มีความเข้มสูงสุดในช่วงความถี่หนึ่งเท่านั้น นอกจากนี้จากทฤษฎีของเรย์เลห์และจีนส์ จะพบว่ายิ่งความถี่ของแสงที่เปล่งออกมาสูงขึ้น ความเข้มของแสงก็ยิ่งสูงขี้นไม่มีขอบเขตจำกัด ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ

แมกซ์ พลังค์ ได้เสนอทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) และอธิบายเกี่ยวกับการเปล่งรังสีว่า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมามีลักษณะเป็นกลุ่มๆ ซึ่งประกอบด้วยหน่วยเล็กๆ เรียกว่า ควอนตัม (quantum) ขนาดของควอนตัมขึ้นกับความถี่ของรังสี และแต่ละควอนตัมมีพลังงาน(E)โดยที่ E เป็นปฏิภาคโดยตรงกับความถี่(u) ดังนี้

จากทฤษฎีควอนตัมนี้ กลุ่มของอะตอมที่สั่นด้วยความถี่สูงจะเปล่งแสงที่มีพลังงานสูงๆ เท่านั้น ที่อุณหภูมิหนึ่งๆ โอกาสที่จะพบอะตอมที่สั่นสะเทือนด้วยความสูงมากๆ หรือต่ำมากๆนั้นมีน้อย ดังนั้นความเข้ม (ซึ่งขึ้นกับพลังงานและจำนวนอะตอม)ของพวกที่มีความถี่ดังกล่าวจึงน้อยกว่า ซึ่งตรงกับผลการทดลองที่กราฟเส้นโค้งลดลงในบริเวณที่มีความถี่สูงมาก และต่ำมาก(หรือถ้าคิดเป็นความยาวคลื่นก็กลับกัน) นอกจากนี้ แม้อะตอมต่างๆ จะสั่นด้วยความถี่ต่างกัน จะมีความถี่ค่าหนึ่งที่เป็นของอะตอมส่วนใหญ่ ความถี่ค่านี้เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งใช้อธิบายการเปลี่ยนจุดสูงสุดของกราฟกับอุณหภูมิได้

เมื่อแสงที่มีความถี่เหมาะสมตกกระทบผิวหน้าของโลหะ จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก และเรียกอิเล็กตรอนนั้นว่าโฟโตอิเล็กตรอน จากการศึกษาอย่างละเอียดพบว่า

1. โฟโตอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อแสงตกกระทบมีความถี่สูงกว่าค่าหนึ่งซึ่งเป็นค่าจำเพาะสำหรับสารนั้นๆ ความถี่ต่ำสุดที่มำให้เกิดโฟโตอิเล็กตรอนได้นี้เรียกว่า ความถี่ขีดเริ่ม (threshold frequency)
2. ถ้าใช้แสงที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ขีดเริ่ม พลังงานส่วนที่เกินนี้จะไปทำให้โฟโตอิเล็กตรอนมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ปรากฏว่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนไม่ขึ้นกับความเข้มของแสงนั้นๆ แต่ขึ้นกับความถี่
3. จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนขึ้นกับความเข้มของแสง ถ้าลดความเข้มของแสงลง จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนจะลดลงด้วย

ผลข้อ 2 ขัดกับทฤษฎีคลาสสิกของฟิสิกส์อย่างยิ่งเพราะตามทฤษฏีดังกล่าว พลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนควรจะขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงโดยตรง ส่วนผลข้อ 3 นั้น ทฤษฎีคลาสสิกอธิบายไม่ได้เลย

ในปี ค.ศ.1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) สามารถอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตรอนนี้ได้อย่างถูกต้อง เขาเสนอว่าแสงควรมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคได้ด้วย เรียกว่า โฟตอน(photon) และใช้ทฤษฏีของพลังค์กำหนดค่าพลังงานของโฟตอนนั้น กล่าวคือ อนุภาคแสง 1 โฟตอนที่มีความถี่u มีพลังงาน E_u = hu คิดเป็น 1 ควอนตัม ค่าพลังงานของโฟตอนเป็นค่าเฉพาะสำหรับแสงที่มีความถี่หนึ่งๆ เท่านั้น ดังนั้นพลังงานของ 1 ควอนตัมของแสงสีแดง 1 โฟตอน มีค่าน้อยกว่าพลังงาน 1 ควอนตัมของแสงสีน้ำเงิน 1 โฟตอน (แสงสีน้ำเงินมีความถี่สูงกว่า)

คำอธิบายของไอน์สไตน์สำหรับผลการทดลองแต่ละข้อเป็นดังนี้

• ปัญหาของความถี่ขีดเริ่ม


การที่จะดึงอิเล็กตรอนให้หลุดออกมาจากผิวหน้าโลหะได้ ต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุดเท่ากับแรงดึงดูดที่โลหะมีต่ออิเล็กตรอนนั้น จากทฤษฎีของพลังค์ พลังงานของแสงแต่ละชนิดขึ้นอยู่กับความถี่ ดังนั้นถ้าเขียนแทนความถี่ต่ำสุดว่า    u_min   และแรงดึงดูดของอิเล็กตรอนว่า W (work function) ดังนั้น