Lorsque la matière est frappée par des ondes électromagnétiques de longueurs d’onde relativement courtes, telles que la lumière ultraviolette ou la lumière visible, ses atomes peuvent émettre des électrons. Ce processus est connu sous le nom d’effet photoélectrique ou, moins communément, d’effet Hertz, et il se produit parce que les ondes électromagnétiques possèdent une énergie capable de déloger les électrons d’un atome. L’observation de l’effet photoélectrique a permis de clarifier certaines questions sur la nature de la lumière et sur la nature des atomes. La lumière, a-t-on découvert, peut agir à la fois comme une onde et comme une particule ; la lumière se déplace dans le mouvement des vagues, mais peut physiquement impacter les surfaces et même provoquer des changements mécaniques en délogeant les électrons des atomes.
L’effet photoélectrique est généralement observé lorsque la lumière est projetée sur des surfaces métalliques. Le faisceau de lumière projeté sur une surface métallique est appelé photocathode, et les électrons qu’il éjecte d’un atome sont appelés photoélectrons. La lumière brillante sur une surface métallique conductrice peut en fait provoquer la formation d’un courant électrique, appelé photocourant. Un matériau sensible à la lumière, tel que les métaux qui peuvent transporter un courant électrique à cause de la lumière, sont appelés substances photosensibles.
Le nombre d’électrons éjectés en raison de l’effet photoélectrique est étroitement lié à la fréquence et à l’intensité de la lumière émise sur la surface métallique. La lumière à basse fréquence, qui a une longue longueur d’onde, a tendance à déloger peu ou pas d’électrons d’une surface métallique. Ceci est vrai si la lumière est de forte intensité ou de faible intensité. À haute fréquence, cependant, la lumière a tendance à déloger beaucoup plus d’électrons, surtout si la lumière est particulièrement intense. Cela signifie essentiellement que, quelle que soit l’intensité, la lumière rouge libérera très peu d’électrons, mais la lumière bleue en délogera beaucoup.
L’observation de l’effet photoélectrique a présenté des preuves solides de la nature quantique de la lumière, qui n’avait auparavant pas eu beaucoup de soutien. Il soutenait également la théorie de la dualité onde-particule de la lumière à une époque où la plupart des scientifiques pensaient que la lumière se comportait comme une particule ou une onde, pas les deux.
La lumière existe dans des particules discrètes appelées photons, qui sont scientifiquement décrites comme des quanta de lumière. Un photon est un quantum de lumière ; c’est la plus petite unité de lumière qui peut éventuellement interagir avec n’importe quoi d’autre. Les quanta de lumière frappent et délogent les électrons lorsque la lumière est projetée sur une surface métallique ; c’est l’effet photoélectrique.