광양자설(Light quantum theory)은 전통적으로 빛을 파동으로 보았던 관점 대신 입자의 성질도 가지는 것으로 보는 양자역학적인 관점이다. 좁은 의미에서는 아인슈타인(A. Einstein, 1879-1955)이 광전효과를 설명하기 위하여, 플랑크(M. Planck, 1858-1947)의 흑체복사 법칙을 참조하여, 빛이 양자화되었다고 제창한 것을 이야기한다.
빛이 입자인가 파동인가의 여부는 역사적으로 큰 논란이 되어 왔다. 뉴턴(I. Newton, 1643-1727) 등은 빛을 입자들의 모임으로 보았고, 하위헌스(C. Huygens, 1629-1695)나 프레넬(A.-J. Fresnel, 1788-1827)은 빛을 파동으로 보았다. 이들 모두 직진, 굴절, 반사 등을 잘 설명하는 것처럼 보였다. 그러나 영(T. Young, 1773-1829)의 이중 슬릿 실험을 통하여 빛은 간섭하며, 이는 파동으로밖에 설명하지 못한다는 것을 밝혀 빛은 최종적으로 파동으로 밝혀지는 듯 하였다.
그러나 1900년에 들어와 플랑크는 실험으로 관측된 흑체복사 현상을 설명할 수 있는 식을 얻었는데, 이 식의 구조를 분석하면 빛이 연속적인 상태를 가지는 것이 아니라, 하나, 둘, 셀 수 있는 양자화된 상태를 가져야만 한다는 것을 발견하였다. 그러나 플랑크 자신도 빛이 양자화되어야 한다는 것을 쉽게 받아들이지 못했으며, 이의 의미에 대하여 많은 논란이 있었다.
한편, 스톨레토프(A. Stoletov, 1839-1896)의 실험으로 제기된 광전효과에도 해석이 요구되었다. 빛을 특정 금속에 쪼였을 때 전류가 흐르게 되는데 다음과 같은 특성이 나타났다.
전류가 흐르기 위해서는 빛이 특정 파장보다 짧아야 한다. 금속을 때리는 빛을 약하게 하더라도 빛의 파장이 일정한 파장보다 짧다면 즉시 전류가 흐르기 시작한다.
전류가 흐르는 양은 빛의 세기에 비례한다.
아인슈타인은 이를 해석하며 빛이 하나, 둘, 셀 수 있는 상태를 가진다는 것을 주장하였다. 이를 광양자설이라고 한다.
광양자설을 받아들이면 금속판에 쪼이는 빛의 세기는 광자의 개수에 비례한다. 그러나 광자가 아무리 많아도 한 번에 한 개의 광자가 금속판에 에너지를 전달한다. 플랑크의 식에 따르면 광자 하나가 갖는 에너지는
이다. 여기에서
는 플랑크 상수,
는 진공 중에서 빛의 속력,
는 금속에 쪼인 빛의 파장이다.
전류가 흐르게 하기 위해서는 전자를 주어진 금속 표면의 원자에서 떼내어야 한다. 이때 필요한 문턱 에너지를 일함수라 하는데 일함수보다 큰 에너지를 금속에 공급해야 된다. 한 순간에는 광자 하나만 금속 표면에 에너지를 전달하므로, 이의 파장이 짧아야 일함수보다 큰 에너지를 얻는다.
빛이 센 것은 광자들이 많은 것이며, 파장이 길면 각각의 광자가 충분한 에너지를 가지지 못하여 아무리 금속판을 때리더라도 전자를 원자에서 떼낼 수 없기 때문에 전류가 흐르지 못한다. 그러나 빛을 약하게 비추어도 파장이 충분히 짧아 일함수보다 큰 에너지를 원자에 공급할 수 있으면 전자를 뗄 수 있다.
광양자설, 즉 빛의 양자화는 흑체복사와 광전효과를 잘 설명하였고, 현대적으로는 광자로 이해하는 바탕이 되었다.
