אנו מכירים את האפקט הפוטואלקטרי (פליטת אלקטרונים מפני חומר תחת השפעה של אור) עוד משיעורי פיזיקה בבית הספר. אך מהו הדבר המרכזי בתאוריה הזאת? כמובן שהיפותזת קוונט האור – פוטון. אפשר להסתכל על האפקט הפוטואלקטרי כעל תוצאה של שני תהליכים רצופים

1. בליעת פוטון על ידי אלקטרון
2. פליטת אלקטרון מתוך החומר

אם מתרחשים שני התהליכים, נכון יותר לקרוא לתהליך האפקט הפוטואלקטרי החיצוני. בעוד שאם לאחר בליעת הפוטונים לא מתרחשת פליטת אלקטרונים, אך משתנה המוליכות החשמלית של החומר, התהליך נקרא האפקט הפוטואלקטרי הפנימי (בדרך כלל הוא מתרחש במוליכים למחצה). למעשה, מה שמכנים בתור האפקט הפוטואלקטרי היא הבליעה של הפוטון על ידי האלקטרון.
אבל האם האפקט הפוטואלקטרי יכול להתרחש כשיש רק אלקטרון חופשי בודד? לכאורה, השאלה נראית מוזרה – למה שזה לא יהיה אפשרי? הרי אנחנו אומרים: פוטון נבלע על ידי אלקטרון. איך החומר קשור לכל זה? ניקח אלקטרון, נאיר עליו באמצעות פנס, והוא יתחיל “לבלוע” פוטונים ולהאיץ! מסתבר שלא כך הדבר. אלקטרון חופשי לא מסוגל לבלוע שום פוטון. אמנם, הוא כן יזוז ממקומו, אך הסיבה לכך תיהיה פיזור הפוטונים ולא בליעתם. זה גם תהליך מעניין – הוא נקרא אפקט קומפטון ובו באופן מובהק מתגלה האופי החלקיקי של האור… אך לא האפקט הפוטואלקטרי.
אם כן, מדוע פוטון לא יכול להיבלע על ידי אלקטרון חופשי? נוכיח בדרך השלילה. נניח כי אלקטרון (נייח או נע) בולע פוטון, כך שמהירותו משתנה. מסתבר שתהליך כזה אסור בגלל חוקי שימור האנרגיה והתנע. אפשר להיווכח בקלות שזה בלתי אפשרי, אם נבחר מערכת ייחוס אינרציאלית כזאת שבה האלקטרון אחרי האפקט הפוטואלקטרי נמצא במנוחה. במילים אחרות, התחלנו עם אלקטרון ופוטון בתנועה ובסוף התהליך קיבלנו אלקטרון נייח – מצב אבסורדי כמובן.
מכאן נובע שהאפקט הפוטואלקטרי יכול להתרחש רק במידה ובמערכת נמצא חלקיק נוסף שיכול לשאת חלק מהאנרגיה והתנע. במתכות ומוליכים למחצה אלה הם יונים של סריג גבישי. אך הם אינם נלקחים בחשבון כאשר מחשבים אנרגיה (למשל, באמצעות נוסחת איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי), מפני שמסתם גדולה ולכן מעט מאוד אנרגיה מועברת אליהם (בעוד שהם קריטיים עבור חוק שימור התנע).
האם האפקט הפוטואלקטרי אפשרי באטום בודד (או מולקולה) – למשל בגז? מסתבר שכן. פוטון יכול להיבלע על ידי אחד האלקטרונים של האטום, וכל התנע העודף יעבור לגרעין. נציין כי היינריך הרץ, גילה ראשון את האפקט הפוטואלקטרי, דווקא כשערך ניסויים בגזים (שנת 1887). הוא חקר את תופעת הפריצה החשמלית בתווך אווירי שבין אלקטרודות וגילה שכאשר מקרינים אור על התווך הזה, הפריצה מתרחשת במתח נמוך.
אז למה בבית ספר נהוג ללמוד רק על האפקט הפוטואלקטרי החיצוני? הרי כל אפקט פוטואלקטרי מבוסס על התופעה הקוונטית החשובה של בליעת פוטון על ידי אלקטרון. העניין הוא שחוקי האפקט הפוטואלקטרי החיצוני הם פשוטים וקל להבחינם בניסוי. אפשר לחשב את תכונות וגדלים שונים של האפקט הפוטואלקטרי החיצוני הן בעזרת ניסויים והן בדרכים אחרות. נדון על כך בהרחבה.
נוסחת איינשטיין

כוללת שני גדלים משתנים: תדירות האור $\nu$ ואנרגיה קינטית מקסימלית של האלקטרונים הנפלטים $\frac{mv^2}{2}$. באמצעות שיטות אופטיות שונות ניתן ליצור אלומות אור עם תדירות $\nu$. בכדי לדעת כמה אלקטרונים נפלטים בשנייה אחת ואת האנרגיה הקינטית המקסימלית שלהם, מהמתכת יוצרים קתודה של שפופרת ריק. מכיוון שהזרם החשמלי בתוכה מתקיים בגלל האלקטרונים הנפלטים, ניתן לקבל את כל האינפורמציה מתוך אופיין מתח-זרם של השפופרת. בפרט, האנרגיה הקינטית המקסימלית של האלקטרונים מבוטאת באמצעות מתח עצירה $U_r$:

אם עבור מתכות שונות ניצור גרף של תלות $eU_r$ בתדירות גל האור $\nu$, נגלה כי כתוצאה מנוסחת איינשטיין מתקבלים ישרים מקבילים כמתואר באיור הבא:

מתוך השיפוע של הישרים הללו ניתן לחשב את קבוע פלאנק $h$, ולפי נקודות החיתוך של הישרים עם הצירים – את עבודת היציאה $\varphi$ (הידועה גם בתור פונקציית עבודה – האנרגיה המינימלית הדרושה בכדי שהאלקטרון ייפלט מפני החומר) ואת התדירות המינימלית $\nu_{\mathrm{min}}$, הידועה גם בשם הגבול האדום של האפקט הפוטואלקטרי (התדר הנמוך ביותר או הגל הארוך ביותר, שעבורם עוד מתקיים האפקט). כידוע, את מושג הקוונטיזציה של אנרגיה ($E=h \nu$), ואת קבוע $h$ ניסח מקס פלאנק על מנת להסביר את התופעה של קרינת חום. במסגרת האפקט הפוטואלקטרי מקבלים את אותו הערך של $h$ (בהתאם למידת הדיוק של הניסוי), מה שמהווה עוד אישור לנכונות התורה הקוונטית.
האם יש ניסוי אחר שבו ניתן למדוד את עבודת היציאה? האם אפשר לגרום לאלקטרונים להיפלט מתוך החומר מבלי להקרין עליהם אור? התשובה היא כן. כאשר מחממים קתודה, האלקטרונים נפלטים ממנה הודות לתופעה הנקראת פליטה תרמיונית. משתמשים בה בנורות חשמליות – דיודות, טריודות וכו’. תהליך פליטת האלקטרונים מזכיר מאוד את תהליך האידוי – רק שבמקרה זה האלקטרונים המהירים ביותר, כאלה שהאנרגיה שלהם גדולה מעבודת היציאה, נפלטים מן החומר.
עבור רוב המתכות עבודת היציאה הינה מסדר גודל של כמה אלקטרונוולט. האם זה הרבה או קצת? נעריך את האנרגיה הממוצעת של תנועה תרמית של אלקטרונים באמצעות הנוסחה שהתקבלה עבור גז המורכב מאטום בודד:

בטמפרטורת החדר ($T \approx 300 \text{K}$) מדובר בסדר גודל של כמה מאיות אלקטרונוולט, כלומר בערך פי מאה פחות מעבודת היציאה. זה אומר שכמות האלקטרונים שנפלטים ממתכת בטמפרטורת החדר בגלל תנועה תרמית היא מזערית (כאשר חוקרים את האפקט הפוטואלקטרי ניתן להזניח אותם). בכדי ש”אידוי” האלקטרונים יהיה נראה לעין, צריך לחמם את הקתודה עד לכמה אלפי מעלות.
ניתן לחשב את עבודת היציאה מחקירת התלות של מספר האלקטרונים הנפלטים בטמפרטורה. הערכים שתקבלו יתאימו לערכים הצפויים מנוסחת איינשטיין, מה שיוכיח פעם נוספת את נכונות התאוריה של האפקט הפוטואלקטרי.