Limitaciones de la física clásica:

Radiación del cuerpo negro:

Un cuerpo negro es un sistema ideal que absorbe toda la radiación que sobre él incide y sigue una ley básica: cuando un cuerpo está en equilibrio térmico, la energía que absorbe es igual a la que emite. Por tanto, un cuerpo negro es también un emisor ideal, es decir, que emite en todas las longitudes de onda.

Hipótesis de Planck:

La teoría clásica, que consideraba que la radiación tenía carácter ondulatorio, suponía que la energía se emitía de forma continua, como corresponde a una onda. Sin embargo, hemos visto que esto no explicaba la radiación térmica.
Planck supone algo completamente diferente. Propone:

• La energía no se emite de forma continua, sino discreta, es decir, «concentrada» en cuantos o paquetes de energía (algo muy similar a lo que ocurriría si se emitieran partículas).
• La energía correspondiente a un cuanto depende de la frecuencia de vibración de los átomos del material y viene dada por la expresión: E = h·f, donde h = 6,63 · 10^-34 J·s es la llamada constante de Planck.
• Por lo tanto, la energía emitida no puede tener cualquier valor. Solo podrá emitirse un número entero de cuantos de energía. Se dice entonces que la energía emitida está cuantizada.

Teniendo en cuenta estas suposiciones, Planck obtiene la explicación teórica de toda la gráfica completa. Hubo que admitir, por lo tanto, que la emisión (y también la absorción, es decir, los intercambios de energía) de radiación no es continua, sino que está cuantizada. Se mide en eV. (1 eV = 1,6·10^-19 J)

Efecto fotoeléctrico:

Se descubrió que al someter a la acción de la luz (visible o ultravioleta) determinadas superficies metálicas, estas desprendían electrones, llamados fotoelectrones. Este fenómeno se denomina efecto fotoeléctrico.
Los electrones emitidos al iluminar el cátodo originan una corriente eléctrica de intensidad I al chocar con el ánodo. La intensidad medida es proporcional al número de electrones arrancados. El número de electrones que alcanzan el ánodo se mide por la corriente que circula por el amperímetro. El trabajo necesario para arrancar el electrón del metal depende de su energía de enlace. La energía más pequeña recibe el nombre de trabajo de extracción W_o.
Si el ánodo es positivo, atraerá a los electrones. Para un cierto ΔV (diferencia de potencial) =, todos los electrones emitidos llegarán al ánodo y conoceremos la intensidad I proporcional al número total de electrones.
Si el ánodo es negativo, los electrones serán repelidos y solo llegarán al otro extremo aquellos que tengan una energía cinética inicial suficiente para vencer el potencial de repulsión. Para un cierto valor de este potencial, denominado potencial de frenado, ningún electrón llegará al ánodo. Este potencial multiplicado por la carga del electrón nos da el valor de la E_cmax. 1/2 m_e v² = q_e · V (tensión o voltaje)

Explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico:

Según Einstein: la energía luminosa no se reparte de un modo uniforme en todos los puntos del frente de onda, sino que está concentrada en cuántos de energía, que denominará fotones. La luz estaría formada por una infinidad de fotones de diferentes tamaños energéticos que se propagan en todas direcciones a la velocidad de la luz. Cuando la luz interacciona con la materia, absorbe aquellos fotones que le están permitidos.
Einstein da una explicación a todos los hechos observados en el efecto fotoeléctrico:

• Un fotón de luz puede tener energía suficiente para arrancar un electrón de un átomo. W_o = h·f_o donde f_o es la frecuencia umbral y W_o es la energía umbral de extracción.
• La energía de los fotones de la luz incidente puede ser mayor que el trabajo de extracción. Ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico: E_incidente = W_extracción + E_c → h·f = h·f_o + 1/2 m v².
• El hecho de que los electrones sean emitidos casi instantáneamente es comparable con el punto de vista de la luz como partícula, en la que la energía incidente parece concentrarse en paquetes, en vez de hacerlo sobre una gran área (ondas).

Hipótesis de Broglie:

El científico francés Louis de Broglie, basándose en los resultados de Planck, Einstein y otros (Compton), sugirió en 1924 que cualquier partícula puede comportarse como una onda en determinados experimentos. A cada partícula corresponde una onda asociada. Es decir, supuso que toda la materia tiene un comportamiento dual.
Según esta hipótesis, la energía, tanto de la materia como de la radiación, se relaciona con la frecuencia de la onda asociada a su movimiento mediante la expresión: E = h·f; Momento lineal: p = h/λ; λ = h/p = h/m·v; f = c/λ.