광전 효과 (r2)

광전 효과에서 핵심적인 역할을 하는 광자는 전자기파의 에너지가 양자화된 형태, 즉 에너지 덩어리이다. 각 광자의 에너지 E는 그 진동수 ν에 정비례하며, 비례상수는 플랑크 상수 h이다. 이 관계는 E = hν이라는 간단한 공식으로 표현된다[3].

이 공식에 따르면, 빛의 에너지는 그 세기(단위 면적당 광자 수)가 아니라 진동수(또는 파장)에 의해 결정된다. 예를 들어, 진동수가 높은 자외선 광자는 낮은 진동수의 적외선 광자보다 훨씬 큰 에너지를 가진다. 빛의 세기가 강하다는 것은 단위 시간당 도달하는 광자의 수가 많다는 것을 의미할 뿐, 각각의 개별 광자가 가진 에너지 크기와는 직접적인 관계가 없다.

따라서 광전 효과에서 전자를 방출시키는 데 필요한 것은 충분한 세기의 빛이 아니라, 충분한 에너지(즉, 충분히 높은 진동수)를 가진 개별 광자이다. 이는 고전적인 파동설로는 설명할 수 없었던 현상으로, 빛이 입자성도 지닌다는 광양자 가설의 중요한 증거가 되었다.

일함수는 금속 표면에서 광전자 하나를 방출시키는 데 필요한 최소한의 에너지를 의미한다. 이는 전자가 금속 내부의 결합 상태에서 벗어나 자유 전자가 되기 위해 극복해야 하는 에너지 장벽에 해당한다. 일함수는 금속의 종류와 표면 상태에 따라 고유한 값을 가지며, 일반적으로 전자볼트(eV) 단위로 표시된다.

문턱 진동수는 광전 효과가 일어나기 위한 최소한의 광자 진동수를 가리킨다. 아인슈타인의 광전 방정식에 따르면, 광자의 에너지는 진동수에 비례한다. 따라서 광전 효과가 발생하려면 입사하는 광자의 에너지가 금속의 일함수보다 크거나 같아야 한다. 이 조건을 진동수로 표현하면, 입사광의 진동수가 문턱 진동수 이상이어야 함을 의미한다. 문턱 진동수는 일함수를 플랑크 상수로 나눈 값(ν₀ = W/h)으로 계산된다.

일함수와 문턱 진동수는 광전 효과의 발생 여부를 결정하는 핵심 변수이다. 입사광의 세기(광자 수)는 방출되는 광전자의 수에 영향을 미치지만, 광전자가 방출될지 여부는 오직 광자의 에너지, 즉 진동수가 문턱값을 넘는지에 따라 결정된다. 이는 고전적인 파동 이론으로는 설명할 수 없는 현상이었다.

다양한 물질의 일함수는 실험적으로 측정되며, 그 값은 다음과 같다.

표에서 보듯, 일함수가 낮은 세슘은 가시광 영역의 빛으로도 광전자를 방출할 수 있지만, 일함수가 높은 백금은 자외선 영역의 고에너지 광자가 필요하다.

광전자 방출이 일어나기 위해서는 입사하는 광자의 에너지가 물질의 일함수보다 커야 한다. 이 조건은 다음과 같은 수식으로 표현된다.

\[

h\nu > \phi

\]

여기서 \(h\)는 플랑크 상수, \(\nu\)는 빛의 진동수, \(\phi\)는 물질의 일함수이다. 일함수는 전자를 물질 표면에서 완전히 떼어내는 데 필요한 최소 에너지를 의미한다. 만약 광자의 에너지가 일함수보다 작다면, 빛의 세기가 아무리 강해도 단일 광전자도 방출되지 않는다.

방출된 광전자의 최대 운동 에너지는 아인슈타인의 광전 방정식에 의해 결정된다. 이는 광자의 에너지에서 일함수를 뺀 값과 같다.

\[

K_{max} = h\nu - \phi

\]

이 방정식은 광전자의 에너지가 빛의 진동수에 선형적으로 비례하지만, 빛의 세기(광속)에는 무관함을 보여준다. 빛의 세기를 증가시키면 단위 시간당 방출되는 광전자의 수는 증가할 수 있으나, 개별 광전자의 최대 운동 에너지는 변하지 않는다.

방출 조건을 정리하면 다음과 같다.

이 조건은 고전적인 파동 이론으로는 설명할 수 없으며, 빛이 입자적 성질을 가진 양자임을 증명하는 핵심적 근거가 되었다.

1887년, 하인리히 헤르츠는 전자기파의 존재를 확인하기 위한 실험을 수행하던 중 우연히 광전 효과 현상을 관찰했다. 그의 실험 장치는 유도 코일로 생성된 고전압을 두 개의 금속 구에 가해 스파크를 발생시키는 송신기와, 원형의 금속 링으로 구성된 수신기로 이루어졌다. 수신기의 금속 링 사이에 작은 간격을 두어, 송신기에서 발생한 전자기파가 도달하면 그 간격에서도 미세한 스파크가 발생하는지를 관찰하는 것이 실험의 주요 목적이었다.

헤르츠는 송신기에서 발생하는 스파크가 더욱 잘 일어나도록 자외선을 조사할 때, 수신기에서의 스파크 발생이 더 용이해진다는 사실을 발견했다. 특히, 수신기 금속 링의 스파크 간격에 자외선을 직접 비추었을 때 그 효과가 두드러졌다. 이는 가시광선에서는 관찰되지 않은 현상이었다. 당시 헤르츠는 이 현상을 전자기파의 간섭이나 공명 현상과 연관 지어 생각했으며, 빛이 금속 표면에서 전자를 '떼어내는' 메커니즘에 대해서는 깊이 연구하지 않았다.

그의 관찰 결과는 다음과 같은 표로 요약할 수 있다.

이 실험은 광전 효과의 최초의 명확한 실험적 발견으로 기록된다. 헤르츠는 이 현상을 자세히 규명하지는 않았지만, 그의 발견은 이후 필리프 레나르드를 비롯한 다른 물리학자들이 본격적으로 이 효과를 연구하는 계기를 마련했다. 헤르츠의 실험은 고전 전자기학의 틀로는 설명하기 어려운, 빛과 물질의 상호작용에 대한 새로운 물음을 제기했다.

1899년부터 1902년 사이에 필립 레나르드는 광전 효과에 대한 일련의 정밀한 실험을 수행하여 몇 가지 결정적인 특성을 발견했다. 그의 실험 장치는 진공관 안에 금속판(음극)과 이를 향한 금속망(양극)을 배치하고, 다양한 조건에서 광전류를 측정하는 방식으로 구성되었다.

레나르드는 다음과 같은 핵심적인 관찰 결과를 얻었다.

• 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 세기와 무관하다: 빛의 세기를 증가시키면 방출되는 광전자의 수(즉, 광전류)는 증가했지만, 개별 광전자가 가질 수 있는 최대 운동 에너지는 변하지 않았다.

• 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수에 의존한다: 같은 금속에 대해 빛의 진동수를 높이면 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지가 선형적으로 증가하는 것을 확인했다.

• 문턱 진동수의 존재: 각 금속마다 광전자를 방출시키기 위한 최소 진동수, 즉 문턱 진동수가 존재한다는 사실을 발견했다. 이 진동수보다 낮은 진동수의 빛은 아무리 세게 비춰도 광전자를 방출시키지 못했다.

• 즉각적인 응답: 빛을 금속 표면에 비추자마자(지연 시간 없이) 광전자가 방출되는 현상을 관찰했다.

이러한 레나르드의 실험 결과는 당시 지배적이었던 고전 전자기학과 파동설로는 설명하기 어려운 모순을 드러냈다. 파동 이론에 따르면 빛의 에너지는 세기(진폭)에 비례하여 전자에 전달되어야 하므로, 빛의 세기를 높이면 광전자의 에너지도 증가해야 하고, 또한 에너지가 축적되는 시간이 필요할 것이라고 예측했다. 그러나 레나르드의 관찰은 이와 정반대였다. 그의 데이터는 이후 알베르트 아인슈타인이 1905년 제안한 광양자 가설을 지지하는 강력한 실험적 증거가 되었다.

로버트 밀리컨은 1914년부터 1916년까지 광전 효과에 대한 일련의 정밀 실험을 수행했다. 그의 실험 목적은 아인슈타인의 광양자 가설을 반증하는 것이었으나, 결과적으로는 그 가설을 강력하게 지지하는 데이터를 얻었다. 밀리컨은 진공 상태에서 다양한 금속 표면(주로 나트륨과 리튬)에 서로 다른 파장의 단색광을 조사하고, 발생하는 광전자의 최대 운동 에너지를 정확히 측정했다.

그는 정교한 장치를 사용해 정지 전압을 측정함으로써 광전자의 최대 운동 에너지를 결정했다. 실험 결과는 다음과 같은 핵심 사실을 명확히 보여주었다.

• 광전자의 최대 운동 에너지는 입사광의 강도와 무관하고, 오직 빛의 진동수(파장)에만 비례하여 증가한다.

• 각 금속마다 광전자가 방출되기 위한 최소 진동수, 즉 문턱 진동수가 존재하며, 이는 금속의 일함수와 직접적인 관계가 있다.

• 빛의 세기를 증가시켜도 광전자의 최대 운동 에너지는 변하지 않지만, 단위 시간당 방출되는 광전자의 수는 빛의 세기에 비례하여 증가한다.

밀리컨은 실험 데이터를 바탕으로 광전 효과 방정식의 정확성을 검증했고, 플랑크 상수의 값을 당시로서는 매우 정밀하게 계산해냈다. 그의 실험 결과는 1916년에 발표되었으며, 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 이러한 관측 사실은 아인슈타인의 광양자 모델을 확고히 하는 결정적 증거가 되었다. 이 공로로 밀리컨은 1923년 노벨 물리학상을 수상했으며, 아인슈타인은 1921년 노벨상을 수상했다.

광전 효과를 설명하기 위해 알베르트 아인슈타인은 1905년 논문에서 광양자 가설을 제시했다. 이 가설은 빛이 연속적인 파동이 아니라, 에너지 덩어리인 광자로 구성되어 있다는 혁명적인 아이디어를 담고 있다. 아인슈타인은 각 광자가 특정한 에너지를 가지며, 그 에너지는 빛의 진동수에 비례한다고 주장했다.

구체적으로, 광자의 에너지 E는 플랑크 상수 h와 빛의 진동수 ν의 곱, 즉 E = hν으로 표현된다. 금속 표면에 빛을 비추면, 광자는 전자와 충돌하여 자신의 에너지를 전자에게 완전히 전달한다. 이때 전자가 금속에서 탈출하려면 표면을 벗어나기 위한 최소한의 에너지, 즉 일함수 Φ를 넘어야 한다. 만약 광자의 에너지가 일함수보다 작으면, 아무리 빛의 세기가 강해도 전자는 방출되지 않는다.

이 가설은 기존의 파동설로는 설명할 수 없던 여러 실험적 관찰, 즉 문턱 진동수의 존재와 광전자의 최대 운동 에너지가 빛의 세기가 아닌 진동수에 의존한다는 사실을 명쾌하게 설명했다. 아인슈타인의 이론은 양자역학의 초기 발전에 결정적인 기여를 했으며, 그 공로로 그는 1921년 노벨 물리학상을 수상했다.

광전 방정식은 알베르트 아인슈타인이 1905년에 제안한 광양자 가설을 수학적으로 표현한 핵심 공식이다. 이 방정식은 광전 효과에서 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지와 입사하는 광자의 에너지, 물질의 일함수 사이의 관계를 정량적으로 설명한다.

방정식은 다음과 같은 형태를 가진다.

*K_max = hν - φ*

여기서 *K_max*는 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지, *h*는 플랑크 상수, *ν*는 입사광의 진동수, *φ*는 물질의 고유한 특성인 일함수(일함수)를 나타낸다. 일함수는 전자를 물질 표면에서 끌어내는 데 필요한 최소 에너지이다. 이 방정식은 광자의 에너지(*hν*)가 일함수(*φ*)보다 클 때만 광전자가 방출될 수 있음을 보여주며, 이때 초과 에너지(*hν - φ*)가 광전자의 운동 에너지로 전환된다.

이 방정식은 실험적으로 관측된 주요 현상들을 모두 설명한다. 첫째, 광전자의 최대 운동 에너지는 입사광의 세기(강도)가 아닌 진동수에만 비례한다. 둘째, 진동수가 특정 문턱값(*ν_0 = φ/h*)보다 낮으면 아무리 강한 빛을 쬐어도 전자가 방출되지 않는다. 셋째, 빛의 세기가 강해질수록 더 많은 광전자가 방출되지만, 각 전자의 최대 운동 에너지는 변하지 않는다. 아인슈타인의 이 설명은 로버트 밀리컨에 의한 정밀한 실험적 검증을 거쳐 받아들여졌으며, 빛의 입자적 성질을 확립하는 결정적 증거가 되었다.

외부 광전 효과는 물질 표면에서 빛에 의해 전자가 방출되는 현상을 가리킨다. 가장 전형적이고 잘 알려진 광전 효과의 형태로, 일반적으로 '광전 효과'라고 할 때는 이 외부 광전 효과를 의미한다. 방출된 전자는 광전자라고 불리며, 이 효과는 금속이나 반도체와 같은 고체 표면에서 주로 관찰된다.

외부 광전 효과의 발생은 아인슈타인이 제안한 광양자 가설에 따라 설명된다. 입사하는 빛은 에너지 덩어리인 광자의 흐름으로 간주되며, 각 광자의 에너지는 플랑크 상수와 빛의 진동수를 곱한 값(E = hν)이다. 이 광자 에너지가 물질의 일함수를 초과할 때만 표면의 전자가 에너지를 흡수하고 물질 밖으로 탈출할 수 있다. 이때 초과 에너지는 광전자의 운동 에너지로 전환된다.

외부 광전 효과의 주요 실험적 특징은 다음과 같다.

이 효과는 광전관, 광전 증배관, 진공 광전지 등 다양한 광전 변환 소자의 기본 원리로 활용된다. 또한, 외부 광전 효과와 구분되는 현상으로는 물질 내부에서 전자가 자유 전자로 여기되지만 표면을 탈출하지는 않는 내부 광전 효과가 있다.

내부 광전 효과는 광자에 의해 물질 내의 전자가 에너지를 흡수하여 전도대로 여기되지만, 물질을 완전히 탈출하지는 않는 현상을 가리킨다. 외부 광전 효과와 달리, 방출된 전자는 원자나 분자 바깥으로 나가지 않고 고체나 액체 내부에서 자유 전자 또는 정공의 형태로 존재하게 된다. 이 과정은 주로 반도체 물질에서 두드러지게 관찰되며, 태양 전지, 광다이오드, 광전도체 등의 작동 원리가 된다.

내부 광전 효과가 발생하려면 입사한 광자의 에너지가 물질의 띠 간격보다 크거나 같아야 한다. 광자의 에너지가 띠 간격보다 작으면 전자는 여기되지 않는다. 광자의 에너지가 띠 간격보다 크면, 가전자대에 있던 전자가 에너지를 흡수하여 전도대로 뛰어오른다. 이때 전도대에 생긴 자유 전자와 가전자대에 생긴 빈 자리인 정공이 쌍을 이루어 생성되며, 이들이 외부 전기장에 의해 이동함으로써 전류가 흐르게 된다. 이 현상을 광전도 현상이라고도 부른다.

내부 광전 효과의 주요 특성은 다음과 같다.

이 효과는 외부 광전 효과와 몇 가지 근본적인 차이를 보인다. 외부 광전 효과는 금속 표면에서 전자가 완전히 탈출하는 데 필요한 일함수를 넘는 에너지가 필요하며, 방출된 광전자의 운동 에너지는 입사광의 진동수에 선형적으로 의존한다. 반면 내부 광전 효과는 전자의 완전한 탈출이 아닌 에너지대 간의 전이를 일으키며, 생성된 전하 운반자(전자와 정공)의 수는 입사광의 세기에 더 민감하게 반응한다.

광전 효과는 일반적으로 물질 표면에서 광자에 의해 전자가 방출되는 현상을 가리킨다. 그러나 이 용어는 때때로 광자와 물질의 상호작용으로 인해 전자의 에너지 상태가 변화하는 더 넓은 범주의 현상을 포괄하기도 한다. 이에 따라, 전자가 물질을 완전히 탈출하는 '외부 광전 효과'와 물질 내부에서 전자의 에너지만 증가하는 '내부 광전 효과'로 구분된다.

'광전자 효과'라는 용어는 주로 외부 광전 효과와 동의어로 사용된다. 즉, 광전자 효과는 광전자가 물질 외부로 방출되는 구체적인 현상을 지칭한다. 반면 광전 효과는 광전자 효과를 포함하여, 반도체에서 전도대로 전자가 여기되는 내부 광전 효과나 광전도 현상과 같은 관련 현상까지 포괄하는 더 넓은 개념이다.

다음 표는 두 용어의 주요 차이점을 정리한 것이다.

따라서 학문적 맥락에서는 광전 효과를 광전자 효과의 상위 개념으로 보는 것이 일반적이다. 역사적으로 하인리히 헤르츠가 발견하고 필리프 레나르드가 관찰한 현상은 광전자 효과에 해당하며, 알베르트 아인슈타인이 설명한 것도 바로 이 외부 방출 현상이었다. 이후 반도체 물리학의 발전으로 광에 의해 물질 내부의 전기 전도도가 변하는 내부 광전 효과의 중요성이 부각되면서, 광전 효과라는 용어의 의미가 확장되었다.

광전관은 광전 효과를 이용하여 빛의 세기나 존재를 전기 신호로 변환하는 진공관 형태의 장치이다. 기본적으로 음극으로 사용되는 광음극과 양극인 애노드가 진공 또는 저압 가스로 채워진 유리관 내부에 배치된다. 빛이 광음극에 조사되면 광전자 방출이 일어나고, 양극에 가해진 양의 전압에 의해 이 전자가 끌려가 전류가 흐르게 된다. 이 전류의 크기는 입사광의 세기에 비례하므로, 광전관은 조도계, 자동문 센서, 영화 필름의 음성 재생 등에 널리 사용되었다.

광전지는 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자이다. p-n 접합을 가진 반도체에 빛이 조사되면, 광자에 의해 생성된 전자-정공 쌍이 내부 전기장에 의해 분리되어 전위차를 발생시킨다. 이 현상을 광기전력 효과라고 하며, 외부 전원 없이도 전류를 공급할 수 있다는 점에서 광전관과 구별된다. 광전지는 태양 전지의 핵심 구성 요소이며, 광도계나 계산기와 같은 소형 전자 장치의 전원으로도 활용된다.

다음 표는 광전관과 광전지의 주요 특징을 비교한 것이다.

이 두 장치는 모두 빛을 전기 신호로 변환한다는 공통점을 가지지만, 그 물리적 메커니즘과 회로 구성, 응용 분야에서 뚜렷한 차이를 보인다. 광전관은 빠른 응답 속도를 요구하는 검출기에, 광전지는 에너지 수확이 중요한 장치에 각각 적합하다.

CCD는 전하 결합 소자의 약자로, 빛을 받아 전하를 생성하고 이를 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이다. 1969년 벨 연구소의 윌러드 보일과 조지 E. 스미스가 발명했으며, 이 공로로 2009년 노벨 물리학상을 수상했다[7].

CCD의 기본 작동 원리는 광전 효과에 기반한다. CCD 표면의 각 픽셀은 광다이오드로 구성되어 있어 빛(광자)을 받으면 전자-정공 쌍을 생성한다. 생성된 전자는 해당 픽셀의 퍼텐셜 우물에 저장된다. 이후 정해진 타이밍에 저장된 전하 패키지를 인접 픽셀로 순차적으로 전송(결합)하여 최종적으로 하나의 출력 증폭기에서 전압 신호로 읽어낸다. 이 과정을 전하 결합이라고 한다.

CCD는 매우 낮은 노이즈와 높은 균일성을 바탕으로 천문 관측, 과학 연구, 고화질 전문 카메라 등에서 오랫동안 표준으로 사용되었다. 그러나 1990년대 이후 개발된 CMOS 이미지 센서는 각 픽셀에 증폭기를 내장하고 표준 반도체 공정으로 대량 생산이 가능해 소비 전력과 제조 비용이 낮다는 장점이 있다. 이로 인해 현재는 스마트폰, 디지털 카메라를 비롯한 대부분의 상용 이미징 시장을 CMOS가 주도하고 있다. 두 기술 모두 핵심적인 빛 감지 메커니즘은 광전 효과에 의존한다.

태양 전지는 광전 효과를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 주로 반도체 물질로 만들어지며, 태양광 발전 시스템의 핵심 구성 요소 역할을 한다. 태양 전지의 기본 작동 원리는 p-n 접합을 통해 형성된 공핍층에서 광자가 전자-정공 쌍을 생성하고, 내부 전기장에 의해 이들이 분리되어 전류를 발생시키는 것이다.

가장 일반적인 태양 전지는 실리콘을 기반으로 한다. 실리콘 태양 전지는 크게 단결정, 다결정, 비정질 실리콘으로 구분된다. 단결정 실리콘 태양 전지는 높은 변환 효율을 보이지만 제조 비용이 높은 반면, 다결정과 비정질 실리콘은 효율은 낮지만 상대적으로 저렴하다. 최근에는 갈륨 비소(GaAs), 카드뮴 텔루륨(CdTe), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS) 등 다양한 화합물 반도체를 이용한 태양 전지 연구도 활발히 진행되고 있다.

태양 전지의 성능은 광전 변환 효율로 평가된다. 이는 태양 전지에 입사된 빛 에너지 중 전기 에너지로 변환된 비율을 의미한다. 효율을 높이기 위해 반사 방지 코팅, 표면 텍스처 처리, 이종접합 구조, 다중 접합 태양 전지 등 다양한 기술이 개발되고 적용된다. 단일 태양 전지 셀은 낮은 전압을 생성하므로, 일반적으로 여러 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈을 구성하여 사용한다.

태양 전지는 무공해, 무한정 에너지원 활용, 유지보수 비용이 낮다는 장점으로 인해 지속 가능 에너지원으로 각광받고 있다. 주거용 및 상업용 건물, 위성, 계산기, 자동차 등 그 응용 범위는 매우 넓다. 그러나 초기 설치 비용, 효율의 한계, 일조 조건에 따른 출력 변동 등이 여전히 해결 과제로 남아 있다.

콤프턴 효과는 엑스선이나 감마선과 같은 고에너지 광자가 전자와 충돌하여 산란될 때, 광자의 파장이 길어지고 에너지가 감소하는 현상이다. 1923년 미국의 물리학자 아서 홀리 콤프턴에 의해 발견되고 설명되었으며, 이 공로로 그는 1927년 노벨 물리학상을 수상했다[10]. 이 효과는 광전 효과와 함께 빛의 입자성을 명확히 증명한 중요한 실험 결과로 평가된다.

콤프턴 효과의 핵심은 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙을 적용하여 설명할 수 있다. 입사 광자가 자유 전자와 탄성 충돌을 일으키면, 광자는 에너지의 일부를 전자에 넘겨주고 산란된다. 이때 산란된 광자의 에너지는 감소하고, 그 결과 파장은 증가한다. 파장의 변화량 Δλ는 산란각 θ에 따라 달라지며, 다음의 콤프턴 공식으로 주어진다.

Δλ = λ' - λ = (h / m_e c) (1 - cos θ)

여기서 λ는 입사 광자의 파장, λ'는 산란 광자의 파장, h는 플랑크 상수, m_e는 전자의 정지 질량, c는 빛의 속도이다. (h / m_e c) 항은 약 2.43 × 10⁻¹² m의 값을 가지며, 콤프턴 파장이라고 불린다.

콤프턴 효과는 빛이 파동이 아닌 입자(광양자)로 행동함을 보여주었고, 또한 이러한 미시적 과정에서도 운동량과 에너지 보존 법칙이 성립함을 확인시켜 주었다. 이 현상은 광전 효과가 주로 광자의 에너지가 물질의 일함수를 넘는지 여부에 초점을 맞춘다면, 콤프턴 효과는 고에너지 광자와 전자 사이의 충돌 역학을 다룬다는 점에서 차이가 있다. 콤프턴 효과의 관찰은 양자역학의 발전에 결정적인 기여를 했다.

광이온화는 원자나 분자에 충분한 에너지를 가진 광자가 흡수되어, 결합된 전자가 완전히 방출되어 자유 전자와 양이온을 생성하는 과정이다. 이는 광전 효과의 한 특수한 형태로 간주되며, 주로 기체 상태의 원자나 분자에서 발생한다. 광이온화가 일어나기 위해서는 입사하는 광자의 에너지가 해당 원자나 분자의 이온화 에너지보다 크거나 같아야 한다. 이온화 에너지는 전자를 가장 느슨하게 결합된 상태(바닥 상태)에서 무한히 먼 곳으로 떼어내는 데 필요한 최소 에너지를 의미한다.

광이온화 과정은 다음과 같은 방정식으로 나타낼 수 있다.

A + hν → A⁺ + e⁻

여기서 A는 중성 원자나 분자, hν는 광자의 에너지, A⁺는 생성된 양이온, e⁻는 방출된 광전자(자유 전자)를 나타낸다. 광자의 에너지가 이온화 에너지를 초과하는 경우, 그 초과분은 방출된 전자의 운동 에너지로 전환된다. 이는 금속 표면에서의 외부 광전 효과와 유사한 원리이지만, 매질이 기체 원자라는 점에서 차이가 있다.

광이온화는 다양한 과학 및 기술 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 대기 상층부에서 태양의 자외선 복사에 의한 광이온화는 이온층을 형성하여 무선 통신에 영향을 미친다. 또한, 질량 분석기와 같은 분석 장비에서는 시료 분자를 이온화시키는 수단으로 광이온화(특히 레이저를 이용한 다광자 이온화)가 널리 사용된다. 천체물리학에서는 성간 매질이나 별의 대기에서의 광이온화 과정을 연구하여 천체의 구성과 환경을 이해한다.

이러한 비교를 통해, 광이온화가 원자 단위에서의 '광전 효과'로 개념을 확장한 것임을 알 수 있다. 두 현상 모두 광양자 가설에 기반하여, 빛이 입자성(광자)을 가진다는 근본적 증거를 제공한다.