电学得发展历史悠久。早在公元前600年，古希腊科学家就发现琥珀等物体通过相互摩擦会产生奇特的效应。后来，科学家又做了许多电学和磁学的实验。17世纪，有关电特性的知识开始系统化，电学的研究取得了许多重大进展，第一次把电荷分为正电荷和负电荷。
18世纪，电学领域取得了巨大成就。1729年，史蒂芬·格雷发现了电传导。约瑟夫·普里斯特利与查理·奥斯汀·库伦对电荷之间的作用进行研究，并取得了重大进展。18世纪末，亚历山大·瓦特发明了电池。
米歇尔·法拉第对19世纪的电学发展作出了巨大贡献。早在少年时代，法拉第就开始进行一些电学实验，同时还学习化学和其他学科的知识。1821年，他发现了电磁场产生的机理，从而开创了电磁学。根据电磁场理论，所有形式的波都属于电磁波，包括无线电波和X射线。可见光也是一种电磁波，其能量落在电磁波谱范围之内。
当时法拉第建造了世界上第一台电动机。这个装置包括一个磁棒和缠绕着它的线圈，给线圈通电就能使这个装置产生运动。19世纪30年代是电磁学发展史上的里程碑，因为在这期间，法拉利揭开了电磁感应现象的神秘面纱。发现磁铁的运动能够感生电流，这种产生电能的新方法，后来改变了全世界电厂的运作机制。法拉第的研究为以后詹姆斯·麦克斯韦的工作奠定了基础，后来麦克斯韦的理论又被爱因斯坦驳倒。
法拉第和他的电动机
赫兹的光电实验
19世纪，科学家们发现当一块金属被光照射时，金属表面会吸收一部分光照的能量，并激活金属内部的一些电子，当这些电子吸收的能量超过了一个阈值时，它们甚至会脱离原子的束缚，从金属表面逃逸，这个过程被称为光电效应。
19世纪的许多科学家都研究过光电效应，其中包括，海因里希·赫兹与菲利浦·雷奥纳多。在1865年发表的电磁场理论中，麦克斯韦第一次揭示了可见光的本质是电磁波。当时的很多科学家根据他的理论设计了实验，并希望能够探测到电磁波的存在。1886年，赫斯首次成功利用一个电子装置产生并探测到了电磁波。在实验过程中，他还意外地发现了光电效应。
赫兹的实验装置非常简单。发射部分有两个黄铜做的电极和连接它们的圆形线圈组成，给线圈通电后，在电极之间会产生电火花，这时两个电极之间就形成了一个导电通路。电荷会在两个电极之间来回振动，在这个过程中就产生了电磁波。探测电磁波的装置是一根铜导线：一端弯成一个圈，另一端不做处理，把整根导线弯成手掌大小的圆圈，使两端互相非常靠近。
如果发射装置与接收装置的设计正确（发射装置与接收装置产生的电流周期相近），在接收装置的两端之间就会产生电火花。由于这两端之间的距离大约有百分之一毫秒的数量级，所以接收装置产生的电火花非常微弱。通过这组实验装置，赫斯能够在发射装置与接收装置相距17m时探测电磁波辐射。麦克斯韦的电磁波理论从，从而得到了实验的验证。然而，他改进了实验装置，并准备再一次探测时，却遇到了奇怪的现象。
电学得发展历史悠久。早在公元前600年，古希腊科学家就发现琥珀等物体通过相互摩擦会产生奇特的效应。后来，科学家又做了许多电学和磁学的实验。17世纪，有关电特性的知识开始系统化，电学的研究取得了许多重大进展，第一次把电荷分为正电荷和负电荷。
18世纪，电学领域取得了巨大成就。1729年，史蒂芬·格雷发现了电传导。约瑟夫·普里斯特利与查理·奥斯汀·库伦对电荷之间的作用进行研究，并取得了重大进展。18世纪末，亚历山大·瓦特发明了电池。
米歇尔·法拉第对19世纪的电学发展作出了巨大贡献。早在少年时代，法拉第就开始进行一些电学实验，同时还学习化学和其他学科的知识。1821年，他发现了电磁场产生的机理，从而开创了电磁学。根据电磁场理论，所有形式的波都属于电磁波，包括无线电波和X射线。可见光也是一种电磁波，其能量落在电磁波谱范围之内。
当时法拉第建造了世界上第一台电动机。这个装置包括一个磁棒和缠绕着它的线圈，给线圈通电就能使这个装置产生运动。19世纪30年代是电磁学发展史上的里程碑，因为在这期间，法拉利揭开了电磁感应现象的神秘面纱。发现磁铁的运动能够感生电流，这种产生电能的新方法，后来改变了全世界电厂的运作机制。法拉第的研究为以后詹姆斯·麦克斯韦的工作奠定了基础，后来麦克斯韦的理论又被爱因斯坦驳倒。
19世纪，科学家们发现当一块金属被光照射时，金属表面会吸收一部分光照的能量，并激活金属内部的一些电子，当这些电子吸收的能量超过了一个阈值时，它们甚至会脱离原子的束缚，从金属表面逃逸，这个过程被称为光电效应。
19世纪的许多科学家都研究过光电效应，其中包括，海因里希·赫兹与菲利浦·雷奥纳多。在1865年发表的电磁场理论中，麦克斯韦第一次揭示了可见光的本质是电磁波。当时的很多科学家根据他的理论设计了实验，并希望能够探测到电磁波的存在。1886年，赫斯首次成功利用一个电子装置产生并探测到了电磁波。在实验过程中，他还意外地发现了光电效应。
赫兹的实验装置非常简单。发射部分有两个黄铜做的电极和连接它们的圆形线圈组成，给线圈通电后，在电极之间会产生电火花，这时两个电极之间就形成了一个导电通路。电荷会在两个电极之间来回振动，在这个过程中就产生了电磁波。探测电磁波的装置是一根铜导线：一端弯成一个圈，另一端不做处理，把整根导线弯成手掌大小的圆圈，使两端互相非常靠近。
如果发射装置与接收装置的设计正确（发射装置与接收装置产生的电流周期相近），在接收装置的两端之间就会产生电火花。由于这两端之间的距离大约有百分之一毫秒的数量级，所以接收装置产生的电火花非常微弱。通过这组实验装置，赫斯能够在发射装置与接收装置相距17m时探测电磁波辐射。麦克斯韦的电磁波理论从，从而得到了实验的验证。然而，他改进了实验装置，并准备再一次探测时，却遇到了奇怪的现象。
赫兹的光电实验
麦克斯韦和他的方程组
詹姆斯·麦克斯韦，苏格兰物理学家、数学家，从小就是一个好奇的孩子，喜欢探究自然现象的成因。他广泛阅读了牛顿的著作，在14岁时就推导出了几何形状方面的数学公式。
麦克斯韦继承了法拉第在电磁学定义方面的研究成果，并于1856年发表了一篇名为《论法拉第的力线》的论文。在这篇论文里，他运用数学工具分析了法拉利的理论（数学从来不是法拉第的强项），并发现了电磁场的概念是电磁学的核心。这是麦克斯韦对法拉第的研究成果所作出重大拓展。
麦克斯韦认为电磁场主要有两种存在形态：静态电磁场与突变电磁场。静态场的场分布相对场源始终有界，通直流电的导线附近产生的磁场就是一种典型的静态场，他会像波浪一样向外传播。无线电波、伽马射线、X射线与微波都属于交变电磁场，并且都以光速传播。
麦克斯韦和他的方程组
麦克斯韦对科学最主要的贡献之一在于他发现了光、电、磁是一些相互关联概念的不同表现形式。为了描述电与词之间的相互关系，麦克斯韦建立了一形式势复杂难以理解的偏微分方程组——麦克斯韦方程组。他描述了电磁场的性质，体现了电荷、密度与电场之间复杂的相互联系。
麦克斯韦定义的电磁学成了相对论的序曲，其中互相矛盾的部分最终导致了爱因斯坦理论的形成。然而，爱因斯坦对麦克斯韦理论中一些根本性的问题也进行了深入的思考，光就是其中的一项。在麦克斯韦的理论中，光是一种以某种恒定速度运动的波。当时，在这个备受质疑的新领域里，光速的精准值是非常值得探讨的。所以后来爱因斯坦提出了光速如何定义的问题（也就是光速应该相对什么来定义），其相对的概念也在这个基本问题上得到了确立和发展。
无法解释的实验结果
为了能够更清楚的观察产生的电火花，赫兹决定把整个接收装置放进一个不透光的暗箱里。然而，奇怪的事情发生了，与赫兹的预料恰恰相反，产生的电火花不但不能被更清楚的观测，反而变得更加微弱了。赫斯对这一现象进行了仔细分析，试图找出产生这种现象的原因。
赫兹认为，如果对发射装置产生的电火花进行屏蔽，那么接收装置将不会产生电火花。一块玻璃或者一个屏蔽套就能达到屏蔽电火花的效果，同时还能隔绝一部分电磁波的传播。但当用一块石英作为屏蔽层隔绝发射装置产生的电火花时，他惊奇的发现并没有达到预期的效果。
后来，赫兹认为实验失败的原因是发射装置产生的电火花能够产生比可见光的波长更短的紫外线。1887年，赫兹公布了他的实验观测结果，但他并没有给出合理的解释。
电磁波谱：波长越短，频率越高。
汤姆森发现电子
在1897年发现电子之前，光电效应一直没有得到合理的解释。1888年，威廉·豪尔沃克斯设计了一个更简单的方法再现赫兹的实验结果。当一个带负电荷的盘子受到紫外线的照射时，盘子上的电荷很快就消失了；而当一个带正电荷的盘子受到紫外线照射时，盘子上的电荷并不会消失。豪尔沃克斯对这种现象也无法做出任何解释。
1897年，汤姆森研究了神秘的阴极射线。研究的结果显示，阴极射线是由带负电荷的微粒组成的。当他用实验测定这些微粒的质量和他们所携带的电荷的比例时，其数值高的让人吃惊。也许是因为这些微粒微小的难以置信，大概只有氢原子的0.1%；或者是他们携带了大量的电荷。后来，菲利普·雷奥纳多与其他科学家的实验表明，这些尚未明确的微粒非常微小。由于发现了电子，汤姆森被后人誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。他因发现电子、对气体导电理论和实验的研究所作出的贡献而荣获1906年的诺贝尔物理学奖。
在1897年之前，科学界普遍认为原子是构成世界的本源，不可能对原子再进行分割。汤姆森与其他科学家的实验结果表明，世界上存在比原子更小的微粒，连原子也由他们构成。这是科学家们第一次发现比原子更小的物质存在。
这些携带负电荷的微粒被命名为电子。后来，汤姆森的学生卢瑟福的实验表明，原子由由一个巨大的带正电荷的原子核与围绕其旋转的数个带负电荷的粒子组成，而原子核又由质子和中子组成。
1899年，汤姆森通过实验证明，金属在紫外线照射下逃逸出来的微粒与阴极射线里发现的微粒完全相同。后来，人们知道光电效应中从金属表面逃逸的微粒就是电子。从此科学界又有了新的研究方向：实验结果是如何随着光照强度与照射光的波长的改变而变化的。
从1902年开始，在赫兹研究成果的基础上，菲利浦·雷奥纳多对光电效应进行了更加深入细致的研究。当时科学家们对光电效应的理解是，当金属受到可见光或者其他电磁波照射时，原本被束缚在金属表面原子中的电子由于电磁波的激发而产生振动。当振动达到一定强度，部分电子就可能从金属表面原子的束缚中挣脱出来，并从金属表面逃逸。实验证明，根据照射到金属上的光的亮度与颜色的不同，整个过程中逃逸的电子数量与他们逃逸时具有的能量会发生变化。明亮的光比暗淡的光具有更大的能量。因而科学家们认为随着实验中照射金属的光照强度的增加，从金属表面逃逸的电子的初速度会增加，逃逸电子的数量也会上升。
同样，颜色与光的频率（或者波长）有关系，所以实验中使用的光的颜色非常重要。电磁波谱中靠近紫色光区域的那部分可见光，比其他区域的具有更高的能量。科学家们由此推断，用他们做实验时，逃逸电子的数量和他们所具有的初始能量都会更大。
雷奥纳多进行了一系列的实验，测量了不同光照强度下逃逸的电子数量。他发现为了能让电子从金属表面逃逸，实验中使用的光源必须具有足够的强度，低于这个强度的光照就无法产生光电效应。然而当实验中的光照强度增加后，尽管逃逸电子的数量确实增加了，但是他们逃逸时所具有的平均能量却没有提升。举个简单例子，如果他把实验光照强度增加到原来的2倍，将会有2倍数量的电子发生逃逸，但他们的最高初始能量与平均初始能量却始终维持不变。
雷奥纳多还用不同颜色的光做实验。他发现改变照射光的颜色会影响电子逃逸时具有的初始能量。当他用频率更高，波长更短的光照射金属时，逃逸的电子会具有更高的初始能量。
光的波粒二象性
在当时，光的波动模型假设是科学界所公认的。根据该模型，雷奥纳多的观测几乎没有任何意义。19世纪科学界认为光的本质是一种波，虽然以前有一些科学家也提出过光可能是由粒子构成的假设，但1803年英国科学家托马斯·杨的著名的双缝干涉实验结果表明，光具有波的特性。杨的实验装置包括一块金属片，上面刻有一定间距的两条平行细缝。实验时，远处电灯发出的光会穿过金属片上的平行细缝，并在屏幕上形成波所特有的干涉条纹。
托马斯·杨的双缝干涉实验
光的波动说与粒子说
如果光是由粒子构成的，那么实验观测者将会看到穿过细缝的光在屏幕上留下粒子的形状。然而杨的实验结果显示出相互干涉的特性，类似于声波的相互抵消。在屏幕的某些地方，从两个平行细缝穿过的光相互叠加，产生了明亮条纹。而在另一些地方，两束光相互抵消，产生了黑暗的区域。那些认为光是由粒子构成的科学家无法解释杨实验中的相互干涉现象。一旦他的实验被验证，光是一种波的概念就可以确立了。
如果光确实如同当时科学界认为的那样是一种波，那么就没有办法解释雷奥纳多的实验结果。波所具有的能量应该与它的振幅或者强度成正比，而与频率或者波长无关。根据光的波动模型说，不同颜色的光不可能改变光电效应中逃逸电子的情况。只有不同密度或者亮度的光才能够产生不同的结果。如果用具有光照强度相同的红光与紫光分别进行实验，应该产生相同数量与初始能量的逃逸电子。然而，根据雷奥纳多的实结果，不同颜色的光会导致逃逸电子的初始能量不同。波长短、频率高的光，比如紫外光或者紫外线。会产生能量更高的逃逸电子。而波长较长、频率较低的光产生的逃逸电子的能量较低。
同样，根据光的波动模型说，随着照射光强度的增加，逃逸电子的数量与其平均初始能量（最大初始能量）也会随之增加。但雷奥纳多的观测结果再一次与预期结果相矛盾。在实验中，随着照射光的强度的增加，逃逸电子的数量确实增加了，但逃逸时的初始能量并没有任何变化。
简单来说，雷奥纳多无法根据已有的结论解释他的实验结果。理论与实验之间的矛盾使雷奥纳多（由于其在阴极射线方面的杰出成果，他获得1905年的诺贝尔物理学奖。）感到十分迷惑。在1905年爱因斯坦的论文发表之前，没有任何一位科学家能够解释这种现象。后来，爱因斯坦因为这方面的贡献而获得了诺贝尔物理学奖。虽然爱因斯坦解决了这个难题，但雷奥纳多却一直耿耿于怀，他认为爱因斯坦夺走了本该属于他的荣耀。
光电效应实验原理图
,
