光电效应是材料吸收光或其他光子能量足够高的电磁辐射后发射电子的现象。发射出的电子称为光电子。在通常的狭义用法中，这一术语指电子逸出材料表面，而不只是电子在材料内部变得能够自由移动。对这一现象的解释将单个光量子的能量与电子发射联系起来，成为量子力学的重要基础。(openstax.org)
发现与历史发展
海因里希·赫兹于1887年首次观察到这一效应。后续研究，尤其是菲利普·勒纳德的研究，通过电学测量考察了发射电子的性质。这些实验确认，光能够使带电粒子从受照射的表面逸出，并提供了证据，表明这一发射过程无法用简单的经典能量吸收模型来解释。(nobelprize.org)
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦提出，光以离散的量子传递能量，从而解释了光电发射；这些量子如今称为光子。他的论证拓展了马克斯·普朗克对黑体辐射的处理：爱因斯坦不再将量子化局限于物质与辐射之间的能量交换，而是认为光本身就具有离散的能量。这是能量量子化发展为普遍物理原理的重要一步。(openstax.org)
爱因斯坦获得的1921年度诺贝尔物理学奖于1922年颁发，除表彰他对理论物理学的贡献外，尤其肯定了他发现光电效应定律的成就。该奖所表彰的是光电效应定律，而非他的相对论。(nobelprize.org)
实验特征
标准实验用光照射真空管内的发射电极。另一个电极收集发射出的电子，形成光电流。可调电压既可以促进电子的收集，也可以阻碍电子运动。真空环境可减少碰撞，避免电子在被探测前因碰撞而改变能量。(openstax.org)
其中有三项关键观察结果：
- **阈频：**在通常的单光子发射过程中，给定表面存在一个最低入射光频率；低于这一频率时，不会发射电子。
- **频率依赖性：**频率超过阈频后，电子的最大动能随光频率的升高而增大。
- **光强依赖性：**频率固定时，增强光照通常会增大光电流，但不会提高电子的最大动能。电子发射会迅速开始，不存在简单经典模型所预期的、因长时间积累能量而产生的延迟。(openstax.org)
这些结果对仅以波连续传递能量为基础的解释提出了挑战。按照那种图景，增大光强应当增加电子能够获得的能量，而只要照射时间足够长，即使光的频率很低，电子最终也应能够逸出。实际观察到的阈频以及电子能量对频率的依赖，则要求以另一种方式解释能量吸收。这并不意味着经典电磁学在波传播等现象中失效，而是揭示了它在描述光与物质之间的能量交换时存在局限。(openstax.org)
爱因斯坦光电方程
频率为 (\nu) 的光子携带的能量为
[ E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}, ]
其中，(h) 为普朗克常数，(c) 为真空中的光速，(\lambda) 为真空中的波长。在基本的单光子模型中，一个电子吸收一个光子。其中一部分能量用于使电子逸出，其余部分则转化为动能。(openstax.org)
对于金属表面，爱因斯坦方程为
[ K_{\max}=h\nu-\phi. ]
这里，(K_{\max}) 是发射电子的最大动能，(\phi) 为逸出功，即将一个电子从金属中移出所需的最低能量。因此，阈频及其对应的最长波长为
[ \nu_0=\frac{\phi}{h}, \qquad \lambda_0=\frac{hc}{\phi}. ]
该方程描述的是最大能量，并不表示每个发射电子都具有相同能量。逸出的光电子也可能具有较低的能量，因此实验测得的是具有上限的能量分布。(openstax.org)
施加反向电压可以抑制电子的收集。若以 (V_s) 表示遏止电势的正值大小，则有
[ eV_s=K_{\max}, ]
其中，(e) 是电子电荷的绝对值。因此，以频率为横轴、遏止电势为纵轴绘制的图线，其斜率为 (h/e)。这些测量将一个可观测的电学量与频率和能量之间的量子关系直接联系起来。(openstax.org)
相关的光致电效应
外光电发射应与光伏效应区分开来。在光伏器件中，被吸收的光向半导体内部的载流子提供能量，使电流能够通过电接触端引出。这一工作原理不要求电子逸入真空。因此，太阳能电池是通过材料内部载流子的激发与输运，将辐射转化为电能，而不是采用经典实验中的表面电子发射方式。(energy.gov)
探测与光谱学
外光电效应用于光电倍增管。入射光子照射光阴极，使电子释放到真空中。这些电子依次经过称为倍增极的多个倍增电极，在那里通过二次电子发射放大信号，最终由阳极收集。光阴极的成分和入射窗的透射特性共同决定了可探测的波长范围。(hamamatsu.com)
探测器的量子效率是指在特定波长下，发射的光电子数与入射光子数之比。这一指标将发射电子所需的光子能量，与入射光子实际产生一个逸出电子的概率区分开来。(hamamatsu.com)
这一效应也是光电子能谱学的基础。光电子能谱学是光谱学的一个分支，研究辐射所释放电子的能量。测量这些能量可以揭示材料的电子结构信息。角分辨光电子能谱学还测量电子的发射方向，从而能够研究凝聚态物理学中的电子能带结构。采用X射线的相关技术还可以探测紧邻表面层以下区域的电子性质。(newscenter.lbl.gov)