O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons ou outros portadores livres quando a luz brilha em um material. Elétrons emitidos dessa maneira podem ser chamados elétrons de foto. Esse fenômeno é comumente estudado em física eletrônica, assim como em campos da química, como química quântica ou eletroquímica.

De acordo com a teoria eletromagnética clássica, esse efeito pode ser atribuído à transferência de energia da luz para um elétron. Nessa perspectiva, uma alteração na intensidade da luz induziria mudanças na energia cinética dos elétrons emitidos do metal. Além disso, de acordo com essa teoria, seria esperado que uma luz suficientemente fraca mostrasse um intervalo de tempo entre o brilho inicial de sua luz e a emissão subseqüente de um elétron. No entanto, os resultados experimentais não se correlacionaram com nenhuma das duas previsões feitas pela teoria clássica.

Em vez disso, os elétrons são desalojados apenas pelo impacto dos fótons quando esses fótons atingem ou excedem uma frequência limite (energia). Abaixo desse limite, nenhum elétron é emitido do material, independentemente da intensidade da luz ou do tempo de exposição à luz. (Raramente, um elétron escapará absorvendo dois ou mais quanta. No entanto, isso é extremamente raro, porque no momento em que absorver quanta suficiente para escapar, o elétron provavelmente terá emitido o restante dos quanta.) Para dar sentido ao fato que a luz pode ejetar elétrons mesmo que sua intensidade seja baixa, Albert Einstein propôs que um feixe de luz não é uma onda que se propaga através do espaço, mas sim uma coleção de pacotes de ondas discretas (fótons), cada um com energia hν. Isso esclarece a descoberta anterior de Max Planck da relação de Planck (E = hν), ligando energia (E) e freqüência (ν) como decorrentes da quantização de energia. O fator h é conhecido como a constante de Planck.

Em 1887, Heinrich Hertz descobriu que eletrodos iluminados com luz ultravioleta criam faíscas elétricas mais facilmente. Em 1900, enquanto estudava a radiação do corpo negro, o físico alemão Max Planck sugeriu que a energia transportada pelas ondas eletromagnéticas só poderia ser liberada em “pacotes” de energia. Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo avançando a hipótese de que a energia da luz é transportada em pacotes quantificados discretos para explicar dados experimentais do efeito fotoelétrico. Este modelo contribuiu para o desenvolvimento da mecânica quântica. Em 1914, o Experimento de Millikan apoiou o modelo de Einstein do efeito fotoelétrico. Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921 por “sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico”, e Robert Millikan recebeu o Prêmio Nobel em 1923 por “seu trabalho sobre a carga elementar de eletricidade e sobre o efeito fotoelétrico”.

O efeito fotoelétrico requer fótons com energias próximas de zero (no caso de afinidade eletrônica negativa) a mais de 1 MeV para elétrons centrais em elementos com um alto número atômico.Emissão de elétrons de condução de metais típicos geralmente requer alguns elétron-volts, correspondendo a luz visível ou ultravioleta de comprimento de onda curto. O estudo do efeito fotoelétrico levou a passos importantes na compreensão da natureza quântica da luz e dos elétrons e influenciou a formação do conceito de dualidade onda-partícula. Outros fenômenos em que a luz afeta o movimento de cargas elétricas incluem o efeito fotocondutor (também conhecido como fotocondutividade ou fotoresistência), o efeito fotovoltaico e o efeito fotoeletroquímico.

A fotoemissão pode ocorrer de qualquer material, mas é mais facilmente observável de metais ou outros condutores porque o processo produz um desequilíbrio de carga, e se esse desequilíbrio de carga não é neutralizado pelo fluxo de corrente (ativado pela condutividade), a barreira potencial para emissão aumenta até a corrente de emissão cessa. Também é comum ter a superfície emissora no vácuo, pois os gases impedem o fluxo de fotoelétrons e dificultam sua observação.Além disso, a barreira de energia para fotoemissão é geralmente aumentada por camadas finas de óxido nas superfícies metálicas se o metal tiver sido exposto ao oxigênio, portanto a maioria dos experimentos e dispositivos práticos baseados no efeito fotoelétrico usa superfícies de metal limpas no vácuo.

Quando o fotoelétron é emitido em um sólido e não em um vácuo, o termo fotoemissão interna é freqüentemente usado, e a emissão em vácuo é distinguida como fotoemissão externa.

Mecanismo de emissão
Os fótons de um feixe de luz têm uma energia característica proporcional à freqüência da luz. No processo de fotoemissão, se um elétron dentro de algum material absorve a energia de um fóton e adquire mais energia do que a função de trabalho (a energia de ligação de elétrons) do material, ele é ejetado. Se a energia do fóton é muito baixa, o elétron é incapaz de escapar do material. Como um aumento na intensidade da luz de baixa frequência aumentará apenas o número de fótons de baixa energia enviados ao longo de um dado intervalo de tempo, essa mudança de intensidade não criará nenhum fóton único com energia suficiente para desalojar um elétron. Assim, a energia dos elétrons emitidos não depende da intensidade da luz que chega, mas apenas da energia (freqüência equivalente) dos fótons individuais. É uma interação entre o fóton incidente e os elétrons mais externos.

Os elétrons podem absorver energia dos fótons quando irradiados, mas geralmente seguem um princípio de “tudo ou nada”. Toda a energia de um fóton deve ser absorvida e usada para liberar um elétron da ligação atômica, ou então a energia é reemitida. Se a energia do fóton é absorvida, parte da energia libera o elétron do átomo, e o restante contribui para a energia cinética do elétron como uma partícula livre.

Observações experimentais de emissão fotoelétrica
A teoria do efeito fotoelétrico deve explicar as observações experimentais da emissão de elétrons de uma superfície metálica iluminada.

Para uma determinada superfície de metal, existe uma certa freqüência mínima de radiação incidente abaixo da qual nenhum fotoelétromo é emitido. Essa frequência é chamada de frequência limite. Aumentar a freqüência do feixe incidente, mantendo o número de fótons incidentes fixos (isso resultaria em um aumento proporcional na energia) aumenta a energia cinética máxima dos fotoelétrons emitidos. Assim, a tensão de parada aumenta. O número de elétrons também muda devido à probabilidade de que cada fóton resulte em um elétron emitido em função da energia dos fótons. Se a intensidade da radiação incidente de uma determinada frequência for aumentada, não haverá efeito sobre a energia cinética de cada fotoelétron.

Acima da frequência limite, a energia cinética máxima do fotoelétron emitido depende da freqüência da luz incidente, mas é independente da intensidade da luz incidente, desde que esta não seja muito alta.

Para um dado metal e freqüência de radiação incidente, a taxa na qual os fotoelétrons são ejetados é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente. Um aumento na intensidade do feixe incidente (mantendo a freqüência fixa) aumenta a magnitude da corrente fotoelétrica, embora a tensão de parada permaneça a mesma.

O intervalo de tempo entre a incidência de radiação e a emissão de um fotoelétron é muito pequeno, menos de 10 a 9 segundos.

A direção de distribuição dos elétrons emitidos picos na direção da polarização (a direção do campo elétrico) da luz incidente, se for polarizada linearmente.

Descrição matemática
Em 1905, Einstein propôs uma explicação do efeito fotoelétrico usando um conceito primeiramente proposto por Max Planck de que as ondas de luz consistem em minúsculos feixes ou pacotes de energia conhecidos como fótons ou quanta.

A energia cinética máxima  de um elétron ejetado é dado por

Onde  é a constante de Planck e  é a frequência do fóton incidente. O termo  é a função de trabalho (às vezes denotada  ou  , que fornece a energia mínima necessária para remover um elétron não localizado da superfície do metal. A função de trabalho satisfaz

Onde  é a frequência limite para o metal. A energia cinética máxima de um elétron ejetado é então

A energia cinética é positiva, então devemos ter  para que o efeito fotoelétrico ocorra.

Parando o potencial
A relação entre a tensão atual e aplicada ilustra a natureza do efeito fotoelétrico. Para discussão, uma fonte de luz ilumina uma placa P e outro eletrodo de placa Q coleta quaisquer elétrons emitidos. Nós variamos o potencial entre P e Q e medimos a corrente que circula no circuito externo entre as duas placas.

Se a freqüência e a intensidade da radiação incidente são fixas, a corrente fotoelétrica aumenta gradualmente com um aumento no potencial positivo no eletrodo coletor até que todos os fotoelétrons emitidos sejam coletados. A corrente fotoelétrica atinge um valor de saturação e não aumenta mais para qualquer aumento no potencial positivo. A corrente de saturação aumenta com o aumento da intensidade da luz. Também aumenta com freqüências maiores devido a uma maior probabilidade de emissão de elétrons quando ocorrem colisões com fótons de maior energia.

Se aplicarmos um potencial negativo à placa coletor Q em relação à placa P e gradualmente aumentá-la, a corrente fotoelétrica diminui, tornando-se zero em um determinado potencial negativo.O potencial negativo no coletor no qual a corrente fotoelétrica se torna zero é chamado de potencial de parada ou potencial de corte

Eu. Para uma determinada freqüência de radiação incidente, o potencial de parada é independente de sua intensidade.

ii. Para uma determinada freqüência de radiação incidente, o potencial de parada é determinado pela energia cinética máxima  dos fotoelétrons que são emitidos. Se q _e é a carga no elétron e  é o potencial de parada, então o trabalho feito pelo potencial de retardamento na parada do elétron é  , então nós temos

Recordando

Vemos que a tensão de parada varia linearmente com a freqüência da luz, mas depende do tipo de material. Para qualquer material em particular, existe uma frequência limite que deve ser excedida, independente da intensidade da luz, para observar qualquer emissão de elétrons.

Modelo de três etapas
No regime de raios X, o efeito fotoelétrico no material cristalino é freqüentemente decomposto em três etapas:

Efeito fotoelétrico interno (veja o fotodiodo abaixo [esclarecimento necessário]). O buraco deixado para trás pode dar origem ao efeito Auger, que é visível mesmo quando o elétron não deixa o material. Em sólidos moleculares, os fônons são excitados neste passo e podem ser visíveis como linhas na energia final do elétron. O efeito de foto interno tem que ser dipolo permitido. [As regras de transição para átomos se traduzem através do modelo de ligação apertada no cristal. [Esclarecimento necessário] Eles são similares em geometria às oscilações de plasma no que eles têm que ser transversais.
Transporte balístico [esclarecimento necessário] de metade dos elétrons para a superfície. Alguns elétrons estão espalhados.
Elétrons escapam do material na superfície.
No modelo de três etapas, um elétron pode ter vários caminhos através dessas três etapas. Todos os caminhos podem interferir no sentido da formulação integral do caminho. Para estados superficiais e moléculas, o modelo de três passos ainda faz algum sentido, pois mesmo a maioria dos átomos tem múltiplos elétrons que podem espalhar a saída de um elétron.

História
Quando uma superfície é exposta a radiação eletromagnética acima de uma certa frequência de limiar (geralmente luz visível para metais alcalinos, perto de ultravioleta para outros metais e ultravioleta extremo para não-metais), a radiação é absorvida e os elétrons são emitidos. A luz, e especialmente a luz ultravioleta, libera corpos eletrificados negativamente com a produção de raios da mesma natureza dos raios catódicos. Sob certas circunstâncias, pode ionizar diretamente os gases. O primeiro desses fenômenos foi descoberto por Hertz e Hallwachs em 1887. O segundo foi anunciado primeiro por Philipp Lenard em 1900.

A luz ultravioleta para produzir estes efeitos pode ser obtida a partir de uma lâmpada de arco, ou pela queima de magnésio, ou por faíscas com uma bobina de indução entre terminais de zinco ou cádmio, cuja luz é muito rica em raios ultravioletas. A luz solar não é rica em raios ultravioletas, pois estes foram absorvidos pela atmosfera e não produzem um efeito tão grande quanto a luz do arco.Muitas substâncias além de metais descarregam eletricidade negativa sob a ação da luz ultravioleta: listas dessas substâncias serão encontradas em papéis de GC Schmidt e O. Knoblauch.

século 19
Em 1839, Alexandre Edmond Becquerel descobriu o efeito fotovoltaico ao estudar o efeito da luz sobre as células eletrolíticas. Embora não seja equivalente ao efeito fotoelétrico, seu trabalho em energia fotovoltaica foi fundamental para mostrar uma forte relação entre propriedades leves e eletrônicas dos materiais. Em 1873, Willoughby Smith descobriu a fotocondutividade em selênio enquanto testava o metal por suas propriedades de alta resistência em conjunto com seu trabalho envolvendo cabos telegráficos submarinos.

Johann Elster (1854-1920) e Hans Geitel (1855-1923), estudantes em Heidelberg, desenvolveram as primeiras células fotoelétricas práticas que poderiam ser usadas para medir a intensidade da luz.: 458 Elster e Geitel investigaram com grande sucesso os efeitos produzidos por luz em corpos eletrificados.

Em 1887, Heinrich Hertz observou o efeito fotoelétrico e a produção e recepção de ondas eletromagnéticas. Ele publicou essas observações na revista Annalen der Physik. Seu receptor consistia de uma bobina com uma fenda, onde uma faísca seria vista na detecção de ondas eletromagnéticas. Ele colocou o aparelho em uma caixa escura para ver melhor a faísca. No entanto, ele notou que o comprimento máximo de centelha foi reduzido quando na caixa. Um painel de vidro colocado entre a fonte de ondas eletromagnéticas e o receptor absorveu a radiação ultravioleta que ajudou os elétrons a saltar através da abertura. Quando removido, o comprimento da faísca aumentaria. Ele não observou diminuição no comprimento da centelha quando substituiu o vidro por quartzo, já que o quartzo não absorve a radiação UV. Hertz concluiu seus meses de investigação e relatou os resultados obtidos. Ele não prosseguiu a investigação desse efeito.

A descoberta por Hertz em 1887 de que a incidência de luz ultravioleta em um centelhador facilitou a passagem da centelha, levou imediatamente a uma série de investigações de Hallwachs, Hoor, Righi e Stoletow sobre o efeito da luz, e especialmente de ultra luz -violeta, em corpos carregados.Foi provado por essas investigações que uma superfície de zinco recém-limpa, se carregada de eletricidade negativa, perde rapidamente essa carga, por menor que seja quando a luz ultravioleta cai sobre a superfície; enquanto se a superfície é descarregada para começar, adquire uma carga positiva quando exposta à luz, a eletrificação negativa saindo para o gás pelo qual o metal está rodeado; essa eletrificação positiva pode ser muito aumentada direcionando um forte jato de ar contra a superfície. Se, no entanto, a superfície de zinco estiver positivamente eletrificada, não sofrerá perda de carga quando exposta à luz: este resultado foi questionado, mas um exame muito cuidadoso do fenômeno por Elster e Geitel mostrou que a perda observada sob certas circunstâncias é devida a a descarga pela luz refletida da superfície de zinco da eletrificação negativa nos condutores vizinhos induzida pela carga positiva, a eletricidade negativa sob a influência do campo elétrico movendo-se para a superfície positivamente eletrificada.

século 20
A descoberta da ionização de gases por luz ultravioleta foi feita por Philipp Lenard em 1900. Como o efeito era produzido em vários centímetros de ar e produzia íons negativos grandes e positivos muito grandes, era natural interpretar o fenômeno, assim como JJ Thomson, como efeito Hertz sobre as partículas sólidas ou líquidas presentes no gás.

Em 1902, Lenard observou que a energia dos elétrons emitidos individuais aumentava com a frequência (que está relacionada à cor) da luz.

Isso parecia estar em desacordo com a teoria da luz de Maxwell, que previa que a energia do elétron seria proporcional à intensidade da radiação.

Lenard observou a variação na energia dos elétrons com a freqüência da luz usando uma poderosa lâmpada de arco elétrico que lhe permitiu investigar grandes mudanças de intensidade, e que tinha poder suficiente para permitir que ele investigasse a variação do potencial com a freqüência da luz.Seu experimento mediu diretamente os potenciais, e não a energia cinética eletrônica: ele encontrou a energia do elétron relacionando-a ao potencial máximo de parada (voltagem) em um fototubo. Ele descobriu que a energia cinética eletrônica máxima calculada é determinada pela freqüência da luz.Por exemplo, um aumento na freqüência resulta em um aumento na energia cinética máxima calculada para um elétron na liberação – a radiação ultravioleta exigiria um maior potencial de interrupção aplicado para interromper a corrente em um fototubo do que a luz azul. No entanto, os resultados de Lenard foram qualitativos e não quantitativos devido à dificuldade em realizar os experimentos: os experimentos precisavam ser feitos em metal recém cortado para que o metal puro fosse observado, mas oxidado em questão de minutos, mesmo nos vazios parciais. usava. A corrente emitida pela superfície era determinada pela intensidade da luz, ou brilho: dobrar a intensidade da luz duplicou o número de elétrons emitidos da superfície.

As pesquisas de Langevin e as de Eugene Bloch mostraram que a maior parte do efeito Lenard é certamente devido a esse “efeito Hertz”. O efeito Lenard sobre o gás [esclarecimento necessário], no entanto, existe. Refletida por JJ Thomson e depois mais decisivamente por Frederic Palmer, Jr., foi estudada e mostrou características muito diferentes daquelas a princípio atribuídas por Lenard.

Em 1905, Albert Einstein resolveu esse aparente paradoxo descrevendo a luz como composta de quanta discretos, agora chamados fótons, em vez de ondas contínuas. Baseado na teoria de radiação de corpo negro de Max Planck, Einstein teorizou que a energia em cada quantum de luz era igual à freqüência multiplicada por uma constante, mais tarde chamada constante de Planck.Um fóton acima de uma frequência limite tem a energia necessária para ejetar um único elétron, criando o efeito observado. Essa descoberta levou à revolução quântica na física e rendeu a Einstein o Prêmio Nobel de Física em 1921. Pela dualidade onda-partícula, o efeito pode ser analisado puramente em termos de ondas, embora não tão convenientemente.

A descrição matemática de Albert Einstein de como o efeito fotoelétrico foi causado pela absorção de quanta de luz foi em um de seus artigos de 1905, intitulado “Em um ponto de vista heurístico sobre a produção e transformação da luz”. Este artigo propôs a simples descrição de “quanta de luz”, ou fótons, e mostrou como eles explicaram fenômenos como o efeito fotoelétrico. Sua explicação simples em termos de absorção de quanta discreta de luz explicava as características do fenômeno e a frequência característica.

O efeito fotoelétrico ajudou a impulsionar o conceito então emergente de dualidade onda-partícula na natureza da luz. A luz possui simultaneamente as características de ambas as ondas e partículas, cada uma sendo manifestada de acordo com as circunstâncias. O efeito era impossível de entender em termos da descrição clássica da onda da luz, já que a energia dos elétrons emitidos não dependia da intensidade da radiação incidente. A teoria clássica previu que os elétrons “coletariam” energia durante um período de tempo e seriam emitidos.

Usos e efeitos

Fotomultiplicadores
Estes são tubos de vácuo extremamente sensíveis à luz com um photocathode revestido em parte (uma extremidade ou lado) do interior do envelope. O fotocátodo contém combinações de materiais como césio, rubídio e antimônio especialmente selecionados para fornecer uma baixa função de trabalho; assim, quando iluminado mesmo por níveis muito baixos de luz, o fotocátodo libera elétrons prontamente. Por meio de uma série de eletrodos (dinodos) em potenciais cada vez mais altos, esses elétrons são acelerados e substancialmente aumentados em número através de emissão secundária para fornecer uma corrente de saída facilmente detectável. Fotomultiplicadores ainda são comumente usados ​​onde baixos níveis de luz precisam ser detectados.

Sensores de imagem
Câmeras de vídeo nos primórdios da televisão usaram o efeito fotoelétrico, por exemplo, o “Dissector de imagens” de Philo Farnsworth usou uma tela carregada pelo efeito fotoelétrico para transformar uma imagem ótica em um sinal eletrônico escaneado.

Eletroscópio de folha de ouro
Eletroscópios de folha de ouro são projetados para detectar eletricidade estática. A carga colocada na tampa de metal se espalha para o caule e a folha de ouro do eletroscópio. Como eles têm a mesma carga, o caule e a folha se repelem. Isso fará com que a folha se curve para longe do caule.

Um eletroscópio é uma ferramenta importante para ilustrar o efeito fotoelétrico. Por exemplo, se o eletroscópio estiver carregado negativamente por toda parte, há um excesso de elétrons e a folha é separada do caule. Se a luz de alta frequência brilhar na tampa, o eletroscópio descarrega e a folha cairá flácida. Isso ocorre porque a freqüência da luz que brilha na tampa está acima da frequência limite da tampa. Os fótons na luz têm energia suficiente para liberar elétrons da tampa, reduzindo sua carga negativa. Isso descarregará um eletroscópio carregado negativamente e carregará ainda um eletroscópio positivo. No entanto, se a radiação eletromagnética que atinge a tampa de metal não tiver uma freqüência suficientemente alta (sua frequência está abaixo do valor limite para a tampa), a folha nunca descarregará, não importa quanto tempo a luz de baixa freqüência boné.

Espectroscopia de fotoelétrons
Como a energia dos fotoelétrons emitidos é exatamente a energia do fóton incidente menos a função de trabalho do material ou energia de ligação, a função de trabalho de uma amostra pode ser determinada bombardeando-a com uma fonte de raios-X monocromática ou fonte UV e medindo o distribuição de energia cinética dos elétrons emitidos.

A espectroscopia de fotoelétrons é geralmente feita em um ambiente de alto vácuo, uma vez que os elétrons seriam espalhados por moléculas de gás se estivessem presentes. No entanto, algumas empresas estão vendendo produtos que permitem a fotoemissão no ar. A fonte de luz pode ser um laser, um tubo de descarga ou uma fonte de radiação síncrotron.

O analisador hemisférico concêntrico é um típico analisador de energia de elétrons e usa um campo elétrico para alterar as direções dos elétrons incidentes, dependendo de suas energias cinéticas.Para cada elemento e núcleo (orbital atômico) haverá uma energia de ligação diferente. Os muitos elétrons criados a partir de cada uma dessas combinações aparecerão como picos na saída do analisador, e estes podem ser usados ​​para determinar a composição elementar da amostra.

Nave espacial
O efeito fotoelétrico fará com que a espaçonave exposta à luz solar desenvolva uma carga positiva.Isso pode ser um grande problema, já que outras partes da espaçonave estão na sombra, o que resultará na nave espacial desenvolvendo uma carga negativa de plasmas próximos. O desequilíbrio pode descarregar através de componentes elétricos delicados. A carga estática criada pelo efeito fotoelétrico é autolimitada, porque um objeto com carga mais alta não desiste de seus elétrons tão facilmente quanto um objeto com carga mais baixa.

Poeira da lua
A luz do sol batendo na poeira lunar faz com que ela seja carregada com o efeito fotoelétrico. A poeira carregada então se repele e sai da superfície da Lua por levitação eletrostática. Isso se manifesta quase como uma “atmosfera de poeira”, visível como uma névoa fina e borrada de feições distantes, e visível como um brilho fraco depois que o sol se pôs. Isso foi fotografado pela primeira vez pelas sondas do Surveyor nos anos 60. Pensa-se que as partículas mais pequenas são repelidas a quilómetros da superfície e que as partículas se movem em “fontes” à medida que são carregadas e descarregadas.

Dispositivos de visão noturna
Os fótons que atingem uma película fina de metal alcalino ou material semicondutor, como o arseneto de gálio em um tubo intensificador de imagem, causam a ejeção de fotoelétrons devido ao efeito fotoelétrico. Estes são acelerados por um campo eletrostático onde eles atingem uma tela revestida de fósforo, convertendo os elétrons de volta em fótons. A intensificação do sinal é conseguida através da aceleração dos elétrons ou aumentando o número de elétrons através de emissões secundárias, como com uma placa de micro-canal. Às vezes, uma combinação dos dois métodos é usada. Energia cinética adicional é necessária para mover um elétron para fora da banda de condução e para o nível de vácuo. Isso é conhecido como a afinidade eletrônica do fotocátodo e é outra barreira à fotoemissão além da banda proibida, explicada pelo modelo band gap. Alguns materiais, como o Arsenieto de Gálio, têm uma afinidade eletrônica efetiva que está abaixo do nível da banda de condução. Nesses materiais, os elétrons que se movem para a banda de condução são todos energia suficiente para ser emitida do material e, como tal, o filme que absorve os fótons pode ser bastante espesso. Esses materiais são conhecidos como materiais negativos de afinidade eletrônica.

Corte transversal
O efeito fotoelétrico é um mecanismo de interação entre fótons e átomos. É uma das 12 interações teoricamente possíveis.

Nas altas energias de fótons comparáveis ​​à energia de repouso do elétron de 511 keV, pode ocorrer o espalhamento de Compton, outro processo. Acima do dobro disso, a produção do par (1.022 MeV) pode ocorrer. Dispersão de Compton e produção de pares são exemplos de dois outros mecanismos concorrentes.

De fato, mesmo que o efeito fotoelétrico seja a reação preferencial para uma interação elétron-feto único, o resultado também está sujeito a processos estatísticos e não é garantido, embora o fóton certamente tenha desaparecido e um elétron ligado tenha sido excitado (geralmente K ou L shell elétrons em energias de raios gama). A probabilidade de ocorrência do efeito fotoelétrico é medida pela seção transversal da interação, σ. Verificou-se que esta é uma função do número atômico do átomo alvo e da energia dos fótons. Uma aproximação grosseira, para energias de fótons acima da maior energia de ligação atômica, é dada por:

Aqui Z é um número atômico e n é um número que varia entre 4 e 5. (Em energias de fótons mais baixas, aparece uma estrutura característica com bordas, K borda, L bordas, M bordas, etc.) A interpretação óbvia segue que o efeito fotoelétrico rapidamente diminui a insignificância, na região do raio gama do espectro, com o aumento da energia dos fótons, e o efeito fotoelétrico aumenta acentuadamente com o número atômico. O corolário é que materiais com alto Z produzem bons escudos de raios gama, o que é a principal razão pela qual o chumbo (Z = 82) é um escudo de radiação gama preferido e onipresente.