■ La lumière peut selon le cas se comporter comme une onde (ici une onde électromagnétique) ou comme un flot de particules élémentaires, appelées photons. On parle de dualité onde - corpuscule.
Le photon transporte de l'énergie, en proportion de la fréquence d'oscillation du champ électromagnétique associé. Il peut interagir avec la matière, ce qui explique toute la spectroscopie, notamment les spectres de raies d'absorption et d'émission des éléments chimiques. L'aspect quantique introduit par Max Planck au début du XX^e siècle conduit à construire les diagrammes de niveaux d'énergie des atomes.

■ Dans le cas d'ondes périodiques, comme la lumière, la célérité de l'onde est égale au produit de la fréquence et de la longueur d'onde. Pour la lumière, `c=\lambda\cdot \nu`.

Aspects historiques et expériences notoires

Entre 1880 et 1900, l'étude des rayonnements, notamment par Wilhelm Wien, permet de comprendre le lien entre température d'un corps et rayonnement émis. D'autres modèles participent à expliquer d'autres aspects (loi de Stefan-Bolztman, loi de Rayleigh-Jeans) mais il demeure une situation mal expliquée, à des températures très hautes. Ce manque d'adéquation entre les concepts alors connus et les mesures expérimentales est resté connu sous le nom de "catastrophe ultraviolette".
Il faut attendre les travaux de Max Planck (Prix Nobel de physique de 1918) pour résoudre l'incohérence, en introduisant les quanta d'énergie, petits paquets élémentaires d'énergie. Ce modèle d'énergie échangeable non pas de façon continue mais par paquet, par quantum, est le précurseur du développement de la mécanique quantique.

En 1921, Albert Einstein reçoit le prix Nobel de physique "pour les services rendus à la physique théorique, spécialement pour la découverte de la loi de l'effet photoélectrique". Il n'en recevra pas d'autres, y compris pour ses travaux de relativité restreinte et de relativité générale.
L'effet photoélectrique est le phénomène selon lequel un matériau peut éjecter des électrons s'il est soumis à un rayonnement approprié. Ce phénomène s'explique par le fait que la lumière transporte de l'énergie sous la forme de "paquets élémentaires", les photons. Lorsque les photons transportent une énergie minimale, elle suffit à arracher les électrons du métal. S'il reste de l'énergie, elle est confiée aux électrons sous forme d'énergie cinétique.

L'énergie d'un photon est proportionnelle à la fréquence du rayonnement associé :

où `h` désigne la constante universelle de Planck et `h=6,63\times10^-34\ J\cdot s`.
Puisque `c=\lambda\cdot\nu`, on peut encore écrire en termes de longueurs d'onde que
Remarque : le photon est une particule sans masse qui transporte de l'énergie, de la quantité de mouvement et du moment cinétique.

Bilan d'énergie dans l'effet photoélectrique

Le système étudié est le matériau conducteur (métal) dans le référentiel du laboratoire. Il est soumis à du rayonnement, donc à un flux de photons. Le système reçoit donc de l'énergie entrante, celle transportée par les photons.
Si les conditions de longueurs d'onde sont réunies et que l'effet photoélectrique se produit, le système cède de l'énergie, ce qui arrache les électrons au réseau d'atomes du métal (cette énergie est appelée le travail d'extraction) et il cède de l'énergie cinétique aux électrons arrachés, qui sont alors éjectés.

En égalisant énergie entrante et énergie fournie par le système, le bilan s'écrit

Développons : Ainsi, l'effet photoélectrique se produit si et seulement si c'est-à-dire si seulement si

L’interaction entre la lumière et les métaux conduit à des nombreuses applications technologiques qui allient l’exposition d’un système à la lumière et la circulation d’un courant électrique, comme par exemple les capteurs de lumière, les cellules photovoltaïques dans les panneaux solaires, les diiodes électroluminescentes ou DEL ou LED, ou encore la spectroscopie UV-visible et IR.

Enjeu majeur du défi énergétique, les cellules photovoltaïques sont des convertisseurs : elles consomment l'énergie lumineuse et la convertissent en énergie électrique. Elles sont à la base de la conception des panneaux solaires.

Le rendement d'une cellule photovoltaïque compare l'énergie utilement convertie (donc ici l'énergie électrique) à l'énergie consommée (ici l'énergie lumineuse) :

De nos jours, le rendement des cellules photovoltaïques est de l'ordre de 25 %.