Eine negativ geladene Zinkplatte auf einem Elektroskop entlädt sich, wenn man sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt: Elektronen verlassen die Platte (Hallwachs, 1888). Das heißt äußerer lichtelektrischer Effekt oder Fotoeffekt. Beim inneren Effekt, etwa in einer Solarzelle, bleiben die Elektronen im Material. (UV-Licht schädigt Augen und Haut: Solche Versuche macht die Lehrkraft mit Schutzbrille und Abschirmung.)

In einer Vakuumröhre mit belichteter Kathode und einer Anode zeigt sich:

• Elektronen werden nur ausgelöst, wenn die Frequenz $f$ größer ist als eine Grenzfrequenz $f_G$, die vom Metall abhängt. Darunter passiert nichts, auch bei sehr großer Lichtstärke.
• Oberhalb von $f_G$ ist die Zahl der Elektronen (der Fotostrom) proportional zur Lichtstärke.
• Die größte kinetische Energie der Elektronen hängt nicht von der Lichtstärke ab, sondern wächst mit $f$.
• Die Elektronen treten ohne messbare Verzögerung aus (kürzer als etwa eine Nanosekunde), auch bei schwachem Licht.

Im Wellenbild müsste ein Elektron bei schwachem Licht erst Energie sammeln, und stärkeres Licht müsste schnellere Elektronen liefern. Beides widerspricht den Beobachtungen.

Albert Einstein erklärte den Effekt 1905 mit dem Photonenmodell: Licht der Frequenz $f$ besteht aus Portionen, den Photonen. Jedes trägt die Energie $E = h\,f$. Die Lichtstärke bestimmt nur, wie viele Photonen pro Sekunde eintreffen. Ein Photon gibt seine Energie ganz an ein Elektron ab oder gar nicht.

Die Konstante $h = 6{,}626 \cdot 10^{-34}\,\text{J·s}$ heißt Plancksches Wirkungsquantum. In der Atomphysik nutzt man das Elektronenvolt: $1\,\text{eV} = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\text{J}$ ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen von $1\,\text{V}$ gewinnt. Mit $c = \lambda f$ ergibt sich $E = h c / \lambda$, und $h c$ beträgt etwa $1240\,\text{eV·nm}$.

Ein Photon hat keine Ruhemasse, aber Energie und Impuls. Nach der Energie-Masse-Äquivalenz $E = m\,c^2$ entspricht jeder Energie eine Masse, für ein Photon $m = h f / c^2$. Sein Impuls ist $p = m\,c = E/c$. Man sieht ihn im Lichtdruck: Eine Fläche, die Licht absorbiert, erfährt eine winzige Kraft.

Um ein Elektron aus dem Metall zu lösen, braucht man mindestens die Austrittsarbeit $W_A$, die vom Material abhängt. Vom Photon bleibt dem schnellsten Elektron die Energie $E_{\text{kin,max}}$. Das sind Elektronen an der Oberfläche, die auf dem Weg nach außen nichts verlieren:

Trägt man $E_{\text{kin,max}}$ gegen $f$ auf, entsteht die Einsteinsche Gerade mit der Steigung $h$ und dem Achsenabschnitt $-W_A$. Ihr Nullpunkt ist die Grenzfrequenz $f_G = W_A / h$, die Grenzwellenlänge ist $\lambda_G = h c / W_A$.

Bei der Gegenfeldmethode liegt zwischen Kathode und Anode eine Spannung $U_g$, die die Elektronen bremst. Sie erreichen die Anode nur mit $E_{\text{kin}} > e\,U_g$. Erhöht man $U_g$, bis der Strom null ist, gilt $e\,U_g = E_{\text{kin,max}}$ und damit $U_g = (h/e)\,f - W_A/e$: eine Gerade mit der Steigung $h/e$. Mit LEDs geht es näherungsweise: Leuchtet die LED bei der Spannung $U_S$ gerade auf, ist $e\,U_S \approx h f$.

Beim Compton-Effekt (Compton, 1922/23) streut Röntgenstrahlung an nahezu freien, ruhenden Elektronen. Die gestreute Strahlung hat eine größere Wellenlänge, die Zunahme $\Delta\lambda$ hängt nur vom Streuwinkel $\theta$ ab. Das Wellenbild sagt eine unveränderte Wellenlänge voraus. Das Photonenmodell erklärt es als Stoß: Das Photon gibt Energie und Impuls an das Elektron ab. Die Compton-Wellenlänge $\lambda_C = h/(m_e c)$ beträgt $2{,}43\,\text{pm}$.

Im Röntgenbremsspektrum treffen Elektronen, die mit der Spannung $U_B$ beschleunigt wurden, auf eine Anode und werden gebremst. Die Photonen haben eine kontinuierliche Verteilung der Energie. Die größte Photonenenergie (kleinste Wellenlänge $\lambda_{\min}$) entsteht, wenn ein Elektron seine ganze Energie auf ein Photon überträgt: $h f_{\max} = e\,U_B$. Das ist die Umkehrung des Fotoeffekts.