Kada je materija pogođena elektromagnetskim valovima s relativno kratkim valnim duljinama, kao što je ultraljubičasto svjetlo ili vidljivo svjetlo, njezini atomi mogu emitirati elektrone. Taj je proces poznat kao fotoelektrični efekt ili, rjeđe, Hertzov efekt, a događa se zato što elektromagnetski valovi posjeduju energiju koja je sposobna pomaknuti elektrone u atomu. Promatranje fotoelektričnog efekta pomoglo je razjasniti neka pitanja o prirodi svjetlosti i o prirodi atoma. Svjetlost, otkriveno je, može djelovati i kao val i kao čestica; svjetlost putuje u valnom gibanju, ali može fizički utjecati na površine, pa čak i uzrokovati mehaničku promjenu izbacivanjem elektrona s atoma.
Fotoelektrični efekt se obično opaža kada svjetlo obasjava metalne površine. Snop svjetlosti koji obasjava metalnu površinu naziva se fotokatoda, a elektroni koje izbacuje iz atoma nazivaju se fotoelektroni. Sjajna svjetlost na vodljivoj metalnoj površini zapravo može uzrokovati stvaranje električne struje, koja se naziva fotostruja. Materijali koji su osjetljivi na svjetlost, kao što su metali koji mogu nositi električnu struju zbog svjetlosti, nazivaju se fotoosjetljivim tvarima.
Broj elektrona izbačenih kao rezultat fotoelektričnog efekta usko je povezan s frekvencijom i intenzitetom svjetlosti koja je obasjala metalnu površinu. Svjetlo niske frekvencije, koje ima dugu valnu duljinu, ima tendenciju izbaciti nekoliko, ako ih ima, elektrona s metalne površine. To vrijedi ako je svjetlost visokog ili niskog intenziteta. Na visokoj frekvenciji, međutim, svjetlost ima tendenciju izbacivanja daleko više elektrona, osobito ako je svjetlost posebno intenzivna. To u osnovi znači da će, pri bilo kojem intenzitetu, crvena svjetlost osloboditi vrlo malo elektrona, ali će plava svjetlost izbaciti mnoge.
Promatranje fotoelektričnog efekta predstavljalo je jake dokaze za kvantnu prirodu svjetlosti, koja prije nije imala veliku potporu. Također je podržao teoriju dualiteta svjetlosti između valova i čestica u vrijeme kada je većina znanstvenika vjerovala da se svjetlost ponaša kao čestica ili val, a ne oboje.
Svjetlost postoji u diskretnim česticama poznatim kao fotoni, koji su znanstveno opisani kao kvanti svjetlosti. Jedan foton je jedan kvant svjetlosti; to je najmanja jedinica svjetlosti koja može stupiti u interakciju s bilo čim drugim. Kvanti svjetlosti udaraju i odbacuju elektrone kada svjetlost obasjava metalnu površinu; ovo je fotoelektrični efekt.