Le phénomène, selon lequel une surface (généralement des métaux alcalins) lorsqu’elle est exposée à un rayonnement électromagnétique (lumière visible) émet des électrons, a été découvert par Hertz et Hallwachs en 1887 au cours d’expériences avec un générateur à éclateur. Hertz a constaté que la sensibilité de son dispositif à éclateur pouvait être augmentée par une exposition à la lumière visible ou ultraviolette et que la lumière avait manifestement un effet électrique. Peu de temps après la découverte de Hertz, en 1899, le physicien anglais J.J. Thomson a montré que la lumière UV, qui tombe sur une surface métallique, déclenche l’émission d’électrons à partir de la surface. En 1902, le physicien hongrois Philipp Lenard a effectué les premières mesures quantitatives de l’effet photoélectrique. Il a observé que l’énergie des électrons individuels émis augmentait avec la fréquence de la lumière (qui est liée à la couleur).

Bien que cela soit intéressant, c’est difficilement explicable par la théorie classique du rayonnement électromagnétique qui supposait l’existence d’un milieu stationnaire (l’éther luminiferous) à travers lequel la lumière se propageait. En 1905, Albert Einstein a publié quatre articles révolutionnaires sur l’effet photoélectrique, le mouvement brownien, la relativité restreinte et l’équivalence de la masse et de l’énergie. Ces articles ont été publiés dans la revue Annalen der Physik et ont contribué de manière significative à la fondation de la physique moderne. Dans l’article sur l’effet photoélectrique (« On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light »), il résout le paradoxe en décrivant la lumière comme étant composée de quanta discrets (en allemand : das Lichtquant), plutôt que d’ondes continues. Cette théorie s’appuie sur la théorie du rayonnement du corps noir de Max Planck, qui suppose que l’énergie lumineuse ne peut être absorbée ou émise qu’en quantités discrètes, appelées quanta. L’énergie du photon dans chaque quantum de lumière est égale à sa fréquence (ν) multipliée par une constante appelée constante de Planck (h), ou alternativement, à l’aide de la longueur d’onde (λ) et de la vitesse de la lumière (c) :

E=hc/λ=hν

Chaque photon au-dessus d’une fréquence seuil (spécifique à chaque matériau) a l’énergie nécessaire pour éjecter un seul électron, créant l’effet observé. La théorie d’Einstein prédit que l’énergie cinétique maximale de l’électron émis ne dépend que de la fréquence de la lumière incidente et non de son intensité. En envoyant deux fois plus de lumière (haute intensité), on obtient deux fois plus de photons et plus d’électrons libérés, mais l’énergie cinétique maximale de ces électrons individuels reste la même. L’effet photoélectrique a été largement expérimenté par Robert Millikan en 1915. Robert Millikan a démontré que la prédiction d’Einstein était correcte. Cette découverte a contribué à la révolution quantique en physique et a valu à Einstein le prix Nobel de physique en 1921.