電磁波理論取得了空前的成功。牛頓奠定了力學基礎，而麥克斯韋則奠定了電磁學基礎，他也成為和牛頓比肩的科學巨匠。從惠更斯到麥克斯韋，在眾多科學家的努力下，波動說終於擊敗了粒子說。但是，不久人們就發現波動說的勝利並非完美，因為有幾個涉及光的實驗是電磁波理論所無法解釋的!這也成為當時物理學界的最大謎團。
黑體輻射謎團
第一個就是黑體輻射規律。
所謂黑體，顧名思義，就是最黑的物體。我們知道，黑色的物體能吸收光，那麼最黑的物體就能把射入其內的所有光全部吸收。精確地定義一下，黑體是指能全部吸收外來電磁波的物體，當它被加熱時又能最大程度地輻射出電磁波，這種輻射稱為黑體輻射。
黑體輻射其實是一種熱輻射。任何物體只要處於絕對零度(−273.15℃)
以上，其原子、分子都在不斷地熱運動，都會輻射電磁波(稱為熱輻射)。溫度越高，輻射能力越強。
其實通俗點說，熱輻射就是指任何物體都會發光發熱：輻射出的電磁波就是“光”，發光時要釋放能量，電磁波攜帶的能量就是我們通常所說的“熱”。當然這裡的“光”並非都是可見光，只有在500℃以上才會出現較強的可見光，所以我們人類雖然也在發光，發出的卻是肉眼看不到的紅外線。軍事上常用的紅外熱像儀就是通過接收物體發出的紅外線能量，經光電轉換獲得紅外熱圖像，從而讓我們“看到”物體。
實際上，人們很早就開始觀察並利用熱輻射的能量分佈指導生產實踐。例如，古人在冶煉金屬時，爐溫的高低可以根據爐火的顏色判斷。戰國時期成書的《考工記》中就記載，冶煉青銅時爐中的焰氣，隨著溫度的升高，顏色要經過黑、黃白、青白、青四個階段，到焰氣顏色發青(爐火純青)時溫度最高。另外，青白色的灼熱金屬比暗紅色的灼熱金屬溫度更高。
一個耐熱密閉的黑箱子開一個小孔，就是一個簡單的黑體，光線射進去就出不來
黑體是研究熱輻射的主要工具，因為它的熱輻射程度是最完全的。黑體其實並不難做，做一個耐熱的密閉箱子，在箱子內壁塗上煙煤，還可以在裡邊再加幾塊隔板，然後開一個小孔，這樣從小孔射入的光就能被它全部吸收(見圖2-1);反過來，當它被加熱時又能從小孔中最大程度地輻射出電磁波。
對黑體加熱，它就能發光發熱，既然光是一種電磁波，那它就有波長，不同波長的光對應著不同的熱——即輻射能量。
19世紀末，人們已經得到了黑體輻射的光的波長與輻射能量密度之間的實驗曲線，可是在理論解釋上卻出現了大問題，物理學家們按電磁波理論推導出來的公式怎麼也無法和全部實驗曲線相對應。其中比較好的有維恩公式和瑞利-金斯公式，但也只能分別解釋短波部分和長波部分(見圖2-2)。
光電效應謎團
第二個是光電效應。
光電效應，顧名思義，就是由光產生電的效應。1887年，赫茲發現紫外線照射到某些金屬板上，可以將金屬中的電子打出來，在兩個相對的金屬板上加上電壓，被打出來的電子就會形成電流(見圖2-3)。這一現象引起眾多研究者的興趣，很快就進行了大量的研究，可是電磁波理論在解釋光電效應時卻遇到了嚴重困難。
極板C被紫外光打出電子，電子在電壓作用下移動到極板A上，形成電流回路，於是電流表G的指針偏轉
電磁波理論與實驗結果的區別如下：
(1)按電磁波理論，只要光強足夠，任何頻率的光都能打出電子，可實驗結果是再強的可見光也打不出電子，而很弱的紫外線就可打出電子;
(2)按電磁波理論，10^{−3}s後才能打出電子，可實驗結果是10^{−9}s即可打出電子;
(3)按電磁波理論，被打出的電子的動能只與光強有關而與頻率無關，可實驗結果卻是電子的動能與光強無關而與光的頻率成正比。
實驗現象與電磁波理論所做的預測大相徑庭，令科學家們頗為苦惱。
第三個是原子的線狀光譜。
原子光譜是原子中的電子在能量變化時所發射或吸收的特定頻率的光波。每種原子都有自己的特徵光譜，它們是一條條離散的譜線(見圖2-4)。無論是發射光譜還是吸收光譜，譜線的位置都是一樣的。
使試樣蒸發氣化轉變成氣態原子，然後使氣態原子的電子激發至高能態，處於激發態的電子躍遷到較低能級時會發射光波，經過分光儀色散分光後得到一系列分立的單色譜線
原子光譜對於元素來說，就像人的指紋一樣具有識別功能，不同元素具有不同的“指紋”。許多新元素的發現(如居里夫人發現的鐳)都是通過原子光譜分析得出結論的。
1898年，居里夫人從瀝青鈾礦中分離出放射性比鈾強900倍的物質，光譜分析表明，這種物質中含有一種新元素，放射性正是這種新元素所致，於是她把新元素命名為Radium(鐳)，來源於拉丁文radius，意為“射線”。當然，為了提取出金屬鐳，居里夫人進行了相當艱苦的工作。因為1t(噸)瀝青鈾礦中只含有0.36g(克)鐳，所以她從1899年到1902年整整幹了4年，才終於從4t鈾礦殘渣中製取出0.1g氯化鐳。
原子光譜是如此重要，所以從18世紀起，人們就開始研究光譜，到19世紀末，光譜學已經取得了很大的發展，積累了大量的數據資料，但物理學家們卻難以找出其中的規律，對光譜的起因也無法解釋。因為按照電磁波理論，光譜應該是連續的，所以這一條條分離的譜線讓科學家們傷透了腦筋。
石破天驚的量子化假設
黑體輻射、光電效應和原子光譜就像三座大山，緊緊地壓在物理學家們的頭上，讓他們看不到一絲光亮。不過到了1900年，剛好是新世紀的頭一年，有一座大山終於出現了裂痕，那就是黑體輻射。
1900年，德國科學家普朗克終於找到了一個能夠成功描述整個黑體輻射實驗曲線的公式(圖2-2中綠色實線就是普朗克公式對應的理論曲線)，不過他卻不得不引入了一個在經典電磁波理論看來是“離經叛道”的假設：電磁輻射的能量不是連續的，而是一份一份的，即量子化的。
普朗克提出，電磁波輻射能量的最小單元為hν，其中ν是電磁波頻率，h是一個普適常數(後來人們稱為普朗克常數)，這個能量單元稱為能量量子。能量只能以能量量子的倍數變化，即E=hν，2hν，3hν，4hν，5hν，6hν，…
這真是個石破天驚的假設!愛因斯坦後來對此評價道：
19世紀末，牛頓力學、麥克斯韋電磁場理論、吉布斯熱力學和玻耳茲曼統計物理已經構建起完善的物理學體系，現在我們稱之為經典物理學體系。在經典物理中，對能量變化的最小值沒有限制，能量可以任意連續變化。但在普朗克的假設中，能量有固定的最小份額，這個最小份額就是所謂的能量量子，能量只能以最小份額的倍數變化，這種特徵就叫做能量量子化。
也就是說，曾經被認為是能量連續的電磁波，其實只能以一些小份能量(能量量子)的整數倍的形式攜帶能量，不同頻率的光波對應不同大小份額的能量量子(見圖2-6)。能量被憑空隔斷為斷斷續續的不連續序列，這真是太難以置信了!這還能叫波嗎?
能量量子化假設雖然解釋了黑體輻射規律，但這個假設太過大膽了，當時的科學家們都對之抱以懷疑態度，就連普朗克本人也覺得自己的解釋不靠譜，總想回到經典物理體系當中。接下來的許多年裡，他一直在嘗試如何才能用經典物理學來取代量子化理論，當然，最後的結果都是徒勞無功。
不管普朗克本人是多麼不情願，他提出的能量量子化假設卻成了量子革命的開端，他也為此獲得了1918年的諾貝爾物理學獎。
既然能量是量子化的，為什麼我們從來沒有察覺到這一現象呢?
我們之所以在日常生活中看不到量子效應，是因為普朗克常數實在太小了，h=6.626×10^{−34}J∙s。再換一種寫法也許你會更清楚地感受到它有多小：h=0.0000000000000000000000000000000006626 J·s。
由於普朗克常數如此微小，所以人們才一直誤以為能量是連續的。
愛因斯坦的光速不變原理開創了相對論，光速c也成為宏觀世界最重要的恆量;而普朗克的能量量子化假設開創了量子理論，h也成為微觀世界最重要的恆量。
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