Quando la materia è colpita da onde elettromagnetiche con lunghezze d’onda relativamente corte, come la luce ultravioletta o la luce visibile, i suoi atomi possono emettere elettroni. Questo processo è noto come effetto fotoelettrico o, meno comunemente, effetto Hertz, e si verifica perché le onde elettromagnetiche possiedono un’energia in grado di rimuovere gli elettroni in un atomo. L’osservazione dell’effetto fotoelettrico ha aiutato a chiarire alcune questioni sulla natura della luce e sulla natura degli atomi. La luce, si è scoperto, può agire sia come onda che come particella; la luce viaggia in moto ondoso ma può avere un impatto fisico sulle superfici e persino causare cambiamenti meccanici rimuovendo gli elettroni dagli atomi.
L’effetto fotoelettrico si osserva solitamente quando la luce viene irradiata su superfici metalliche. Il raggio di luce che brilla su una superficie metallica è chiamato fotocatodo e gli elettroni che espelle da un atomo sono chiamati fotoelettroni. La luce brillante su una superficie metallica conduttiva può effettivamente causare la formazione di una corrente elettrica, chiamata fotocorrente. Un materiale sensibile alla luce, come i metalli che possono trasportare una corrente elettrica a causa della luce, sono indicati come sostanze fotosensibili.
Il numero di elettroni espulsi per effetto dell’effetto fotoelettrico è strettamente correlato alla frequenza e all’intensità della luce irradiata sulla superficie metallica. La luce a bassa frequenza, che ha una lunghezza d’onda lunga, tende a rimuovere pochi o nessun elettrone da una superficie metallica. Questo è vero se la luce è di alta o bassa intensità. Ad alta frequenza, invece, la luce tende a spostare molti più elettroni, soprattutto se la luce è particolarmente intensa. Ciò significa sostanzialmente che, a qualsiasi intensità, la luce rossa rilascerà pochissimi elettroni, ma la luce blu ne rimuoverà molti.
L’osservazione dell’effetto fotoelettrico ha presentato una forte evidenza della natura quantistica della luce, che in precedenza non aveva avuto molto sostegno. Supportava anche la teoria della dualità onda-particella della luce in un momento in cui la maggior parte degli scienziati credeva che la luce si comportasse come una particella o come un’onda, non entrambe.
La luce esiste in particelle discrete note come fotoni, che sono scientificamente descritte come quanti di luce. Un fotone è un quanto di luce; è la più piccola unità di luce che può interagire con qualsiasi altra cosa. I quanti di luce colpiscono e spostano gli elettroni quando la luce viene riflessa su una superficie metallica; questo è l’effetto fotoelettrico.