当光照射在材料上时，光电效应是电子或其他自由载流子的发射。 以这种方式发射的电子可以称为光电子。 这种现象通常在电子物理学以及化学领域中进行研究，例如量子化学或电化学。
根据经典电磁理论，这种效应可归因于能量从光转移到电子。 从这个角度来看，光强度的改变会引起从金属发射的电子的动能变化。 此外，根据该理论，预期足够暗的光在其光的初始发光和随后的电子发射之间显示出时间滞后。 然而，实验结果与经典理论所做的两个预测中的任何一个都没有关联。
相反，当那些光子达到或超过阈值频率（能量）时，电子仅通过光子的撞击而移位。 低于该阈值，无论光强度或暴露于光的时间长度如何，都不会从材料发射电子。 （很少，电子会通过吸收两个或多个量子来逃逸。但是，这是非常罕见的，因为当它吸收足够的量子逃逸时，电子可能会释放出量子的其余部分。）为了理解这个事实即使它的强度很低，光线也可以射出电子，阿尔伯特·爱因斯坦提出，光束不是通过空间传播的波，而是一组离散波包（光子），每个都有能量hν。 这阐明了马克斯普朗克先前发现的普朗克关系（E =hν）将能量（E）和频率（ν）联系起来，这是由能量量化引起的。 因子h被称为普朗克常数。
1887年，Heinrich Hertz发现用紫外线照射的电极更容易产生电火花。 1900年，在研究黑体辐射时，德国物理学家马克斯普朗克认为，电磁波携带的能量只能以能量“包”的形式释放出来。 1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了一篇论文，提出了一个假设，即光能以离散的量子化包进行，以解释光电效应的实验数据。 该模型有助于量子力学的发展。 1914年，密立根实验支持爱因斯坦的光电效应模型。 爱因斯坦因其“发现光电效应定律”而于1921年获得诺贝尔奖，而罗伯特密立根于1923年因“他在电学基础上的电荷和光电效应的工作”而获得诺贝尔奖。
对于具有高原子序数的元素中的核心电子，光电效应要求能量接近零的光子（在负电子亲和力的情况下）超过1MeV。 来自典型金属的传导电子的发射通常需要几个电子伏特，对应于短波长可见光或紫外光。 光电效应的研究导致了解光和电子的量子性质的重要步骤，并影响了波粒二象性概念的形成。光影响电荷运动的其他现象包括光电导效应（也称为光电导率或光电阻率），光伏效应和光电化学效应。
光发射可以从任何材料发生，但是最容易从金属或其他导体中观察到，因为该过程产生电荷不平衡，并且如果电荷不平衡不被电流中和（通过电导率），则潜在的发射障碍增加直到发射电流停止。 通常使发射表面处于真空中，因为气体阻碍光电子的流动并使它们难以观察。 另外，如果金属暴露于氧气，则通常通过金属表面上的薄氧化层增加光发射的能垒，因此大多数基于光电效应的实际实验和装置在真空中使用清洁的金属表面。
当光电子发射到固体而不是真空中时，通常使用术语内部光发射，并且发射到真空中，区别为外部光发射。
排放机制
光束的光子具有与光的频率成比例的特征能量。 在光发射过程中，如果某些材料中的电子吸收一个光子的能量并获得比材料的功函数（电子结合能）更多的能量，则它被弹出。 如果光子能量太低，则电子不能逃逸到材料中。 由于低频光强度的增加只会增加在给定时间间隔内发送的低能光子的数量，因此这种强度变化不会产生任何具有足够能量去除电子的单光子。 因此，发射电子的能量不依赖于入射光的强度，而仅取决于各个光子的能量（等效频率）。 它是入射光子和最外层电子之间的相互作用。
电子在照射时可以从光子吸收能量，但它们通常遵循“全有或全无”原则。 来自一个光子的所有能量必须被吸收并用于从原子结合中释放一个电子，否则能量被重新发射。 如果光子能量被吸收，一些能量从原子释放出电子，其余的能量作为自由粒子贡献电子的动能。
光电发射的实验观察
光电效应的理论必须解释从照射金属表面发射电子的实验观察。
对于给定的金属表面，存在一定的入射辐射的最小频率，低于该入射辐射不会发射光电子。 该频率称为阈值频率。 增加入射光束的频率，保持入射光子的数量固定（这将导致能量的成比例增加）增加了所发射的光电子的最大动能。 因此，停止电压增加。 由于每个光子导致发射电子的概率是光子能量的函数，电子的数量也会改变。 如果给定频率的入射辐射强度增加，则对每个光电子的动能没有影响。
在阈值频率以上，发射的光电子的最大动能取决于入射光的频率，但是与入射光的强度无关，只要后者不太高即可。
对于给定的金属和入射辐射的频率，光电子的射出速率与入射光的强度成正比。 尽管停止电压保持相同，但入射光束强度的增加（保持频率固定）增加了光电流的大小。
辐射发生率和光电子发射之间的时间间隔非常小，小于10-9秒。
如果发射电子是线性偏振的，则发射电子的分布方向在入射光的偏振方向（电场方向）上达到峰值。
数学描述
1905年，爱因斯坦提出了光电效应的解释，使用了马克斯普朗克首先提出的概念，即光波由微小的光束或称为光子或量子的能量包组成。
T最大动能 射出的电子由…给出
射出的电子由…给出
哪里 是普朗克常数和 是入射光子的频率。 期限 是工作功能（有时表示 ， 要么 ，它给出了从金属表面除去离域电子所需的最小能量。 工作职能满足
哪里 是金属的阈值频率。 那么，射出的电子的最大动能就是
动能是积极的，所以我们必须有 为了发生光电效应。
为了发生光电效应。阻止潜力
电流和施加电压之间的关系说明了光电效应的性质。 为了讨论，光源照射板P，另一个板电极Q收集任何发射的电子。 我们改变P和Q之间的电位，并测量两个板之间的外部电路中流动的电流。
如果入射辐射的频率和强度是固定的，则光电流随着集电极上的正电位的增加而逐渐增加，直到收集到所有发射的光电子。 光电流达到饱和值，并且对于正电位的任何增加都不会进一步增加。 饱和电流随光强度的增加而增加。 当更高能量光子发生碰撞时，由于更大的电子发射概率，它也会随着频率的增加而增加。
如果我们相对于板P向集电板Q施加负电位并逐渐增加它，则光电电流减小，在某个负电位下变为零。光电流变为零的集电极上的负电位称为停止电位或截止电位
一世。 对于给定频率的入射辐射，停止电位与其强度无关。
II。 对于给定频率的入射辐射，停止电位由最大动能确定 发射的光电子的数量。 如果q e是电子上的电荷和 是阻止电位，然后阻止电子阻滞电位所做的工作是 所以我们有
回顾
我们看到停止电压随光的频率线性变化，但取决于材料的类型。 对于任何特定材料，必须超出阈值频率，与光强度无关，以观察任何电子发射。
三步模型
在X射线方案中，晶体材料中的光电效应通常分解为三个步骤：
内部光电效应（见下面的光电二极管[需要澄清]）。 留下的孔可以产生俄歇效应，即使电子不离开材料也可以看到。 在分子固体中，声子在该步骤中被激发，并且可以作为最终电子能量中的线可见。 内部光效必须是偶极子。[需要澄清]原子的转换规则通过紧束缚模型转换到晶体上。[需要澄清]它们在几何学上与等离子体振荡相似，因为它们必须是横向的。
弹道传输[需要澄清]一半电子到表面。 一些电子是分散的。
电子从表面的材料中逸出。
在三步模型中，电子可以通过这三个步骤采用多条路径。 所有路径都可能干扰路径积分公式的意义。对于表面状态和分子，三步模型仍然有一定意义，因为即使大多数原子都有多个电子，这些电子可以散射一个电子离开。
历史
当表面暴露于高于某一阈值频率的电磁辐射（通常是碱金属的可见光，其他金属的近紫外线和非金属的极紫外）时，辐射被吸收并发射电子。 光，尤其是紫外光，通过产生与阴极射线相同性质的光线来释放带负电的物体。 在某些情况下，它可以直接电离气体。 这些现象中的第一个是由Hertz和Hallwachs在1887年发现的。第二个是由Philipp Lenard于1900年首次公布的。
产生这些效果的紫外光可以从弧光灯，或通过燃烧镁，或通过在锌或镉端子之间用感应线圈点火来获得，其中的光非常富含紫外线。 阳光不富含紫外线，因为它们已被大气吸收，并且它不会产生与弧光几乎如此大的效果。 除金属外的许多物质在紫外线的作用下释放出负电：这些物质的清单将在GC Schmidt和O. Knoblauch的论文中找到。
19世纪
1839年，Alexandre Edmond Becquerel在研究光对电解槽的影响时发现了光伏效应。 虽然不等同于光电效应，但他在光伏领域的工作有助于展示材料的光学和电子特性之间的紧密关系。 1873年，威洛比史密斯发现了硒的光电导性，同时测试了金属的高抗性，并结合他涉及海底电报电缆的工作。
海德堡的学生Johann Elster（1854-1920）和Hans Geitel（1855-1923）开发了第一个可用于测量光强度的实用光电池.458 Elster和Geitel成功调查了所产生的影响通过照亮电气化的身体。
1887年，Heinrich Hertz观察了光电效应以及电磁波的产生和接收。 他在Annalen der Physik期刊上发表了这些观察结果。 他的接收器由带有火花隙的线圈组成，在检测到电磁波时会看到火花。 他把仪器放在一个黑暗的盒子里，以更好地看到火花。 然而，他注意到盒子里的最大火花长度减少了。 放置在电磁波源和接收器之间的玻璃板吸收紫外线辐射，辅助电子跳过间隙。 移除后，火花长度会增加。 当他用石英替换玻璃时，他观察到火花长度没有减少，因为石英不吸收紫外线辐射。 赫兹结束了他几个月的调查，并报告了获得的结果。 他没有进一步研究这种影响。
赫兹于1887年发现火花间隙上紫外线的发生促进了火花的通过，立即引发了Hallwachs，Hoor，Righi和Stoletow对光效，特别是超光效的一系列调查。紫外线，在带电体上。 通过这些调查证明，如果带有负电，新清洁的锌表面会迅速失去这种电荷，但是当紫外线照射到表面时可能会很小。 如果表面一开始不带电，则在暴露于光时会产生正电荷，负电荷会进入金属被包围的气体中; 通过将强烈的气流引导到表面上可以大大增加这种正电气化。 然而，如果锌表面带正电，则在暴露于光线时不会发生电荷损失：这一结果受到质疑，但Elster和Geitel对此现象的仔细检查表明，在某些情况下观察到的损失是由于由负电荷的锌表面反射的光在相邻导体上由正电荷引起的放电，在电场的影响下负电流向正电带表面移动。
20世纪
菲利普·莱纳德（Philipp Lenard）于1900年发现了紫外线对气体的电离作用。由于这种效应是在几厘米的空气中产生的，并产生了非常大的正负离子，因此很自然地解释了这种现象。 JJ汤姆森，作为对气体中存在的固体或液体颗粒的赫兹效应。
在1902年，Lenard观察到单个发射电子的能量随着光的频率（与颜色有关）而增加。
这似乎与麦克斯韦的光波理论不一致，后者预测电子能量将与辐射强度成正比。
Lenard使用强大的电弧灯观察电子能量随光频率的变化，这使他能够研究强度的大变化，并且具有足够的功率使他能够研究光频率的变化。 他的实验直接测量了电位，而不是电子动能：他通过将电子能量与光电管中的最大停止电位（电压）联系起来发现了电子能量。 他发现计算出的最大电子动能是由光的频率决定的。 例如，频率的增加导致在释放时计算的电子的最大动能的增加 – 紫外辐射将需要更高的施加停止电位来停止光电管中的电流而不是蓝光。 然而，由于难以进行实验，Lenard的结果是定性的而不是定量的：需要在新切割的金属上进行实验，以便观察纯金属，但即使在部分真空中它也会在几分钟内氧化。用过的。 表面发射的电流由光的强度或亮度决定：光强度加倍使表面发射的电子数增加一倍。
Langevin和Eugene Bloch的研究表明，Lenard效应的大部分肯定是由于这种“赫兹效应”。 然而，Lenard对气体的影响[需要澄清]本身确实存在。 由JJ汤姆森反思，然后由弗雷德里克·帕尔默（Frederic Palmer，Jr。）更加果断地进行了研究，并且研究显示出与莱纳德最初归因于它的那些特征截然不同的特征。
1905年，阿尔伯特爱因斯坦通过将光描述为由离散量子（现在称为光子，而不是连续波）组成的光来解决这一明显的悖论。 根据马克斯普朗克的黑体辐射理论，爱因斯坦推测每个光量子中的能量等于频率乘以常数，后来称为普朗克常数。 高于阈值频率的光子具有喷射单个电子所需的能量，从而产生观察到的效果。 这一发现导致了物理学的量子化革命，并在1921年为爱因斯坦赢得了诺贝尔物理学奖。通过波粒二象性，这种效应可以纯粹用波浪来分析，虽然不那么方便。
阿尔伯特爱因斯坦关于光电效应是如何由光量子吸收引起的数学描述是在1905年的一篇论文中，名为“关于光的产生和转化的启发性观点”。 本文提出了“光量子”或光子的简单描述，并展示了它们如何解释光电效应等现象。 他对离散量子光吸收的简单解释解释了现象的特征和特征频率。
光电效应有助于在光的本质中推动当时出现的波粒二象性概念。 光同时具有波和粒子的特征，每个都根据情况表现出来。 就光的经典波描述而言，效果是不可能理解的，因为发射电子的能量不依赖于入射辐射的强度。 经典理论预测电子会在一段时间内“聚集”能量，然后被发射。
用途和效果
光电倍增管
这些是极其光敏的真空管，光电阴极涂在信封内部的一部分（一端或一侧）上。 光电阴极包含特别选择的材料的组合，例如铯，铷和锑，以提供低功函数，因此即使在非常低水平的光照射下，光电阴极也容易释放电子。 借助于具有更高电势的一系列电极（倍增电极），这些电子通过二次发射被加速并且数量显着增加，以提供易于检测的输出电流。 在必须检测到低水平光的任何地方，光电倍增管仍然常用。
图像传感器
电视早期的摄像机管使用光电效应，例如Philo Farnsworth的“图像解剖器”使用通过光电效应充电的屏幕将光学图像转换成扫描的电子信号。
金箔验电器
金箔验电器设计用于检测静电。 放在金属盖上的电荷扩散到验电器的杆和金箔上。 因为它们具有相同的电荷，茎和叶相互排斥。 这将导致叶片弯曲远离茎杆。
验电器是说明光电效应的重要工具。 例如，如果验电器在整个过程中带负电，则存在过量的电子并且叶子与茎分离。 如果高频光线照射在盖子上，验电器会放电，叶子会瘫软。 这是因为照射在帽上的光的频率高于帽的阈值频率。 光中的光子有足够的能量从帽中释放电子，减少其负电荷。 这将使带负电的验电器放电并进一步对正验电器充电。 然而，如果击中金属帽的电磁辐射不具有足够高的频率（其频率低于帽的阈值），那么无论多长时间照射低频灯，叶子都不会放电。帽。
光电子能谱
由于发射的光电子的能量恰好是入射光子的能量减去材料的功函数或结合能，因此可以通过用单色X射线源或UV源轰击样品来确定样品的功函数，并测量发射的电子的动能分布。
光电子能谱通常在高真空环境中进行，因为如果它们存在，电子将被气体分子散射。 然而，一些公司现在正在销售允许在空气中发光的产品。 光源可以是激光器，放电管或同步加速器辐射源。
同心半球形分析仪是一种典型的电子能量分析仪，它使用电场来改变入射电子的方向，这取决于它们的动能。 对于每个元素和核心（原子轨道），将存在不同的结合能。 从这些组合中产生的许多电子将在分析仪输出中显示为尖峰，并且这些电子可用于确定样品的元素组成。
宇宙飞船
光电效应会使太空船暴露在阳光下产生正电荷。 这可能是一个主要问题，因为航天器的其他部分处于阴影中，这将导致航天器从附近的等离子体发展出负电荷。 不平衡可以通过精密的电气元件放电。 由光电效应产生的静电荷是自限制的，因为较高的带电物体不像较低的带电物体那样容易地放弃其电子。
月尘
来自太阳的光线撞击月球尘埃会使其充满光电效应。 然后带电的灰尘排斥并通过静电悬浮从月球表面抬起。 这表现为几乎像“尘埃的气氛”，可见薄雾和远处特征的模糊，并且在太阳落山后可见为昏暗的光晕。 这是1960年代Surveyor计划探测器首次拍摄的。 人们认为，最小的颗粒从表面排斥数公里，并且当它们充电和放电时，颗粒在“喷泉”中移动。
夜视设备
在图像增强管中撞击诸如砷化镓之类的碱金属或半导体材料的薄膜的光子由于光电效应而导致光电子的喷射。 它们被静电场加速，在那里它们撞击涂有荧光粉的屏幕，将电子转换回光子。 通过加速电子或通过二次发射增加电子数量来实现信号的强化，例如通过微通道板。 有时使用两种方法的组合。 需要额外的动能将电子移出导带并进入真空能级。 这被称为光电阴极的电子亲和力，并且是除了禁带之外的光发射的另一个障碍，由带隙模型解释。 诸如砷化镓之类的一些材料具有低于导带水平的有效电子亲和力。 在这些材料中，移动到导带的电子是从材料发射的所有足够的能量，因此，吸收光子的膜可以非常厚。 这些材料称为负电子亲和材料。
横截面
光电效应是光子和原子之间的一种相互作用机制。 它是12种理论上可能的相互作用之一。
在与511keV的电子静止能量相当的高光子能量下，可能发生康普顿散射，这是另一种过程。 高于此值（1.022 MeV）的两倍可能会产生。 康普顿散射和配对生成是另外两种竞争机制的例子。
实际上，即使光电效应是特定单光子束缚 – 电子相互作用的有利反应，结果也受到统计过程的影响并且不能得到保证，尽管光子肯定已经消失并且束缚电子已被激发（通常伽马射线能量的K或L壳电子）。 光电效应发生的概率通过相互作用的横截面σ来测量。 已经发现这是目标原子和光子能量的原子序数的函数。 对于高于最高原子结合能的光子能量的粗略近似，由下式给出：
这里Z是原子序数，n是在4和5之间变化的数。（在较低的光子能量下，出现具有边缘的特征结构，K边缘，L边缘，M边缘等）明显的解释是光电效应迅速在光谱的伽马射线区域中，随着光子能量的增加，光学效应随着原子序数的增加而急剧增加。 结果是高Z材料制成了良好的伽马射线屏蔽，这是铅（Z = 82）是首选且无处不在的伽马辐射屏蔽的主要原因。