Potwierdzeniem kwantowej natury promieniowania jest zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na wyrzucaniu elektronów z powierzchni ciała stałego pod wpływem padającego promieniowania. Na Rys. 1 pokazano aparaturę do badania zjawiska fotoelektrycznego.

W szklanej bańce, w której panuje wysoka próżnia, znajdują się dwie metalowe elektrody A i B. Światło przechodząc przez otwór w elektrodzie B pada na metalową płytkę A i uwalnia z niej elektrony, które nazywamy fotoelektronami.

Fotoelektrony są rejestrowane jako prąd elektryczny płynący między płytką A oraz elektrodą zbierającą B przy przyłożonym napięciu \( U \). Do pomiaru prądu stosujemy czuły miliamperomierz (mA). Poniżej na Rys. 2 pokazana jest zależność prądu fotoelektrycznego od przyłożonego napięcia \( U \), dla dwóch różnych wartości natężenia światła.

Widzimy, że gdy U jest dostatecznie duże, wtedy prąd fotoelektryczny osiąga maksymalną wartość (prąd nasycenia \( I_{a} \),
\( I_{b} \)). Odpowiada to sytuacji, gdy wszystkie elektrony wybijane z płytki A docierają do elektrody B.

Jeżeli zmienimy znak napięcia \( U \), to prąd nie spada natychmiast do zera (przy \( U = 0 \) mamy niezerowy prąd). Oznacza to, że fotoelektrony emitowane z płytki A mają pewną energię kinetyczną, dzięki której docierają do B (nawet wtedy, gdy nie są przyspieszane napięciem \( U \)).

Ponadto zauważmy, że nie wszystkie elektrony mają jednakowo dużą energię kinetyczną, bo tylko część z nich dolatuje do elektrody B; przy \( U = 0 \) prąd jest mniejszy od maksymalnego. Wreszcie przy dostatecznie dużym napięciu równym \( U_{h} \) zwanym napięciem hamowania prąd zanika. Różnica potencjałów \( U_{h} \) pomnożona przez ładunek elektronu 'e' jest więc miarą energii najszybszych elektronów (przy \( U = U_{h} \) nawet najszybsze elektrony są zahamowane, nie dochodzą do elektrody B )

Krzywe na Rys. 1 różnią się natężeniem padającego światła. Zauważmy, że przy silniejszym oświetleniu (krzywa 'a') otrzymujemy większy prąd nasycenia, ale takie samo napięcie hamowania jak dla układu oświetlonego słabiej (krzywa 'b').

Widać więc, że \( E_{kmax} \) nie zależy od natężenia światła. Zmienia się tylko prąd nasycenia, a to oznacza, że wiązka światła o większym natężeniu wybija więcej elektronów ale nie szybszych.

Wynik innego doświadczenia pokazuje Rys. 3. Wykreślono tu zależność napięcia hamowania od częstotliwości (barwy) światła padającego na powierzchnie sodu metalicznego. Zauważmy, że otrzymano zależność liniową oraz, że istnieje pewna wartość progowa częstotliwości \( u_{0} \), poniżej której zjawisko fotoelektryczne nie występuje.

Opisane zjawisko fotoelektryczne ma cechy, których nie można wyjaśnić na gruncie klasycznej falowej teorii światła:

• Z teorii klasycznej wynika, że większe natężenie światła oznacza większą energię fali i większe pole elektryczne \( E \). Ponieważ siła działająca na elektron wynosi \( eE \) więc, gdy rośnie natężenie światła, to powinna rosnąć też siła i w konsekwencji energia kinetyczna elektronów. Tymczasem stwierdziliśmy, że \( E_{kmax} \) nie zależy od natężenia światła.
• Zgodnie z teorią falową zjawisko fotoelektryczne powinno występować dla każdej częstotliwości światła pod warunkiem dostatecznego natężenia. Jednak dla każdego materiału istnieje progowa częstotliwość \( u _{0} \), poniżej której nie obserwujemy zjawiska fotoelektrycznego bez względu na to, jak silne jest oświetlenie.
• Ponieważ energia w fali jest „rozłożona” w całej przestrzeni to elektron absorbuje tylko niewielką część energii z wiązki (bo jest bardzo mały). Można więc spodziewać się opóźnienia pomiędzy początkiem oświetlania, a chwilą uwolnienia elektronu (elektron musi mieć czas na zgromadzenie dostatecznej energii). Jednak nigdy nie stwierdzono żadnego mierzalnego opóźnienia czasowego.

W module Kwantowa teoria Einsteina zjawiska fotoelektrycznego przedstawiono kwanotowomechaniczny opis tego zjawiska.