Thí nghiệm hai khe của Thomas Young năm 1805 chỉ ra rằng ánh sáng thể hiện giống như sóng, dẫn đến sự thất bại của thuyết hạt ánh sáng.

Cho đến tận thế kỷ thứ mười tám, trong hầu hết các lý thuyết, ánh sáng được hình dung như là dòng các hạt. Mặt khác các mô hình hạt ánh sáng không giải thích một cách thuyết phục những hiện tượng như khúc xạ, nhiễu xạ hay lưỡng chiết của ánh sáng, vì thế đã xuất hiện các lý thuyết sóng ánh sáng được đề xuất bởi René Descartes (1637),[28] Robert Hooke (1665),[29] và Christian Huygens (1678);[30] tuy vậy, các mô hình hạt vẫn nổi trội hơn, đa phần là do thanh thế của Isaac Newton (một trong những người ủng hộ mạnh mẽ cho thuyết hạt).[31] Đầu thế kỷ thứ mười chín, Thomas Young và August Fresnel minh chứng cho thấy ánh sáng thể hiện tính chất giao thoa và nhiễu xạ và cho đến năm 1850 mô hình sóng đã được chấp nhận rộng rãi.[32] Năm 1865, tiên đoán của Maxwell[33] rằng ánh sáng là một sóng điện từ—và được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1888 bằng sự phát hiện của Heinrich Hertz về sóng radio[34]—dường như cuối cùng đã thổi bay mô hình hạt ánh sáng.

Cho đến năm 1900, Mô hình lý thuyết của Maxwell về ánh sáng là sự dao động của điện trường và từ trường có vẻ đã hoàn thiện. Tuy vậy, một vài quan sát thực nghiệm không thể giải thích được bằng bất kì một mô hình sóng nào của bức xạ điện từ, đã dẫn đến ý tưởng cho rằng năng lượng của ánh sáng được gói lại thành những lượng tử miêu tả bằng E=hν. Những thí nghiệm sau đó chỉ ra rằng những lượng tử ánh sáng cũng mang động lượng và, do vậy, có thể xem là các hạt: khái niệm photon đã được sinh ra, dẫn đến những hiểu biết sâu sắc hơn về chính điện trường và từ trường.

Tuy nhiên, lý thuyết sóng của Maxwell đã không miêu tả được mọi tính chất của ánh sáng. Lý thuyết Maxwell tiên đoán rằng năng lượng của sóng ánh sáng chỉ phụ thuộc vào cường độ của nó, chứ không phụ thuộc vào tần số của nó; nhưng một số thí nghiệm độc lập khác lại chỉ ra rằng năng lượng ánh sáng truyền cho các nguyên tử chỉ phụ thuộc vào tần số của nó, mà không phụ thuộc vào cường độ. Ví dụ, một số phản ứng quang hóa chỉ bỉ kích thích bởi ánh sáng với tần số cao hơn một ngưỡng xác định; nếu tần số ánh sáng thấp hơn thì sẽ không xảy ra, cho dù cường độ của tia sáng như thế nào. Tương tự, các electron có thể bật ra từ một tấm kim loại bị chiếu bởi ánh sáng có tần số đủ cao lên nó (hiệu ứng quang điện); năng lượng của electron bật ra phụ thuộc vào tần số ánh sáng, chứ không phải cường độ.[35][Ct 3]

Cũng trong thời gian này, những nghiên cứu về bức xạ vật đen đã trải qua trên bốn thập kỷ (1860–1900) bởi nhiều nhà nghiên cứu khác nhau[36] và đỉnh cao là giả thuyết của Max Planck[37][38] rằng năng lượng của bức xạ điện từ mà bất kì hệ nào hấp thụ hay phát ra bức xạ với tần số ν là một số nguyên lần của lượng tử năng lượng E=hν. Như được chỉ ra bởi Albert Einstein,[1][39] dạng lượng tử năng lượng phải được kể đến cho sự cân bằng nhiệt động quan sát thấy giữa vật chất và bức xạ điện từ; và để ghi nhận sự giải thích cho hiệu ứng quang điện, Einstein nhận được giải Nobel về vật lý năm 1921.[40]

Do lý thuyết Maxwell về ánh sáng cho phép mọi năng lượng có thể của bức xạ điện từ, nên ban đầu nhiều nhà vật lý cho rằng sự lượng tử hóa năng lượng là do một số giới hạn chưa được biết đến về quá trình bức xạ hay hấp thụ của vật chất. Năm 1905, Einstein lần đầu tiên đề xuất rằng năng lượng lượng tử hóa là một tính chất của chính bức xạ điện từ.[1] Mặc dù ông cũng công nhận lý thuyết của Maxwell, Einstein chỉ ra rằng nhiều thí nghiệm dị thường không thể giải thích được nếu năng lượng của sóng ánh sáng theo lý thuyết Maxwell bị định xứ thành những lượng tử dạng điểm mà di chuyển một cách độc lập với nhau, thậm chí nếu sóng lan truyền liên tục trong không gian.[1] Năm 1909[39] và 1916,[41] Einstein chỉ ra rằng, nếu định luật Planck về bức xạ vật đen là đúng, thì lượng tử năng lượng cũng phải mang động lượng với giá trị p=h/λ, khiến chúng có đầy đủ tính chất của một hạt. Động lượng của photon đã được quan sát bằng thực nghiệm[42] bởi Arthur Compton, và nhờ thí nghiệm này mà ông nhận được giải Nobel vật lý năm 1927. Do vậy một câu hỏi chủ chốt là: làm thế nào để thống nhất được thuyết sóng của Maxwell với những quan sát thực nghiệm về bản chất hạt của ánh sáng? Câu hỏi này đã đi theo suốt cuộc đời của Albert Einstein,[43] và được giải quyết trong điện động lực học lượng tử và lý thuyết sau nó, Mô hình chuẩn (xem Sự lượng tử hóa lần hai và Photon là boson gauge, bên dưới).