Einstein utilisa les photons en 1905 pour expliquer les caractéristiques de l’effet photo-électrique, c’est-à-dire l’extraction d’électrons hors d’un bloc de matière sous l’action d’un faisceau lumineux. Il admit que l’énergie d’un photon est communiquée à un seul électron : elle lui fournit, d’une part, le travail de sortie W_s nécessaire pour vaincre les forces qui le retiennent dans la matière, et, d’autre part, de l’énergie cinétique c’est-à-dire que

C’est l’équation d’Einstein de l’effet photo-électrique ; elle permet de calculer la vitesse v avec laquelle les électrons quittent le bloc de métal et la fréquence seuil ν_s en dessous de laquelle l’effet photo-électrique ne peut plus se produire :
ν > ν_s = W_s/h.
La vérification expérimentale détaillée de cette équation fut effectuée par R. A. Millikan.

Ce sont encore les photons qui ont permis d’interpréter les raies spectrales observées lorsqu’on analyse au spectrographe la lumière émise par une lampe à décharge ou un arc électrique. Cette interprétation est donnée par la loi de Bohr, énoncée en 1913 et qui reste la clé de la structure quantique de l’atome : suivant l’état dans lequel ils se trouvent, les mêmes atomes peuvent emmagasiner des quantités d’énergie différentes ; mais les atomes d’un type donné ne peuvent avoir que certaines valeurs particulières d’énergie, formant une suite discontinue : W₁, W₂, W₃, etc. Lorsque l’atome effectue une transition d’un état d’énergie W₁ à un autre état d’énergie W₂, la conservation de l’énergie est assurée par l’absorption ou l’émission d’un photon correspondant à la fréquence ν telle que hν = W₂ – W₁ (v. laser).

L’existence des photons est encore mise en évidence de manière directe dans le phénomène de diffusion des rayons X avec diminution de fréquence, ou diffusion Compton. Ce phénomène a été étudié en 1923 par A. H. Compton, qui l’a interprété comme une véritable collision élastique entre un photon de rayons X et un électron libre. Cette explication utilise la quantité de mouvement du photon et permet le calcul rigoureux de l’augmentation de longueur d’onde expérimentalement observée :

(m est la masse de l’électron, et θ l’angle entre les directions de propagation du photon incident et du photon diffusé).

Les expériences citées dans cet article mettent en évidence le caractère corpusculaire des ondes électromagnétiques. Mais elles ne suppriment pas pour autant leur caractère ondulatoire, mis en évidence dans les expériences d’interférence ou de diffraction. La description probabiliste des phénomènes microscopiques, qui est de règle en physique quantique et qui entraîne une certaine marge d’incertitude, permet de surmonter la contradiction apparente entre ces descriptions complémentaires du rayonnement électromagnétique : c’est l’onde sinusoïdale de l’électromagnétisme qui décrit la propagation du photon, le carré de l’amplitude de l’onde représentant la probabilité de présence du photon (v. complémentarité).

B. C.