Όταν σε επιφάνεια μετάλλου προσπίπτει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, τότε το μέταλλο εκπέμπει ηλεκτρόνια. Η συχνότητα της ακτινοβολίας πρέπει να είναι τέτοια ώστε τα ηλεκτρόνια να κατορθώσουν να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικής ενέργειας που τα συγκρατεί στην επιφάνεια αυτή.Το φαινόμενο δεν παρατηρείται μόνο στα μέταλλα αλλά και σε άλλα υλικά, όμως συμβαίνει ευκολότερα σε μέταλλα.

Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο το ηλεκτρόνιο απορροφά όλη την ενέργεια του φωτονίου και εξέρχεται του μετάλλου. Αυτό συμβαίνει αν η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου είναι μεγαλύτερη ή ίση από το έργο εξαγωγής του μετάλλου.

Ο Einstein το 1905 ερμήνευσε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο θεωρώντας ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδίδεται με ασυνεχή τρόπο, αποτελείται δηλ. από στοιχειώδη πακέτα ενέργειας τα κβάντα φωτός ή φωτόνια. Για την ερμηνεία του στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο πήρε το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1921.

Προσομοιώση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

* Η Σκέδαση Compton

Γνωστή επίσης και ως ασύμφωνη σκέδαση, συμβαίνει όταν το φωτόνιο της προσπίπτουσας ακτίνας μεγάλης ενέργειας σκεδάζεται από ένα χαλαρά συνδεδεμένο ηλεκτρόνιο, συνήθως της εξωτερικής στιβάδας του ατόμου. Στη σκέδαση Compton επειδή η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου είναι πολύ μεγαλύτερη της ενέργειας σύνδεσης του ηλεκτρονίου, η κρούση μπορεί να θεωρηθεί ότι γίνεται μεταξύ ενός φωτονίου και ενός “ελεύθερου” ηλεκτρονίου. Κατά τη σκέδαση αυτή μέρος της ενέργειας του φωτονίου μεταφέρεται στο ηλεκτρόνιο, το οποίο συνήθως εκτινάσσεται από το άτομο, ενώ το φωτόνιο σκεδάζεται αλλάζοντας διεύθυνση με γωνία σκέδασης φ (0°<φ< 180°) έχοντας μικρότερη ενέργεια και μεγαλύτερο μήκος κύματος από ότι είχε πριν τη σκέδαση.

Η σκέδαση Compton ήταν ένα από τα φαινόμενα που αδυνατούσε να εξηγήσει η κλασική φυσική και μία από τις πρώτες επιτυχίες της κβαντικής θεωρίας. Ονομάστηκε έτσι προς τιμή του Αμερικανού φυσικού Arthur Compton, ο οποίος το ανακάλυψε το 1923. Μελέτησε το πρόβλημα και κατάφερε να το εξηγήσει με τη βοήθεια της κβαντικής φυσικής θεωρώντας το φωτόνιο ως σωματίδιο με ενέργεια και ορμή.

Για την ανακάλυψή του ο Compton τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1927.

* Σύμφωνη σκέδαση

Η σύμφωνη ή κλασσική ή ελαστική σκέδαση παίζει σημαντικό ρόλο κατά την αλληλεπίδραση της ορατής ακτινοβολίας με σωματίδια της τάξης μεγέθους του μήκους κύματος της ακτινοβολίας. Συμβαίνει επίσης όταν η ενέργεια των ακτίνων Χ ή των φωτονίων γάμμα είναι μικρή σε σχέση με την ενέργεια ιοντισμού του ατόμου. Συνεπώς, συμβαίνει με ακτινοβολία χαμηλής ενέργειας.

Κατά την αλληλεπίδραση με το μέσο, ​​το φωτόνιο δεν έχει αρκετή ενέργεια για να απελευθερώσει το ηλεκτρόνιο από την δεσμευμένη του κατάσταση κι έτσι το άτομο απορροφά το φωτόνιο, τα ηλεκτρόνια εξαναγκάζονται σε ταλάντωση συχνότητας ίσης με εκείνης του φωτονίου, το άτομο γίνεται ασταθές και εκλύεται φωτόνιο ίδιας ενέργειας με το αρχικό. Στη σύμφωνη σκέδαση δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας, η μόνη αλλαγή είναι η αλλαγή κατεύθυνσης (σκέδασης) του φωτονίου, εξ ου και η «μη τροποποιημένη» διασπορά.

Η Μοριακή σκέδαση ή σκέδαση Rayleigh (Ρέιλι) και η σκέδαση Τhomson είναι περιπτώσεις σύμφωνης σκέδασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με την ύλη. Στη σκέδαση Rayleigh οφείλεται το μπλε χρώμα του ουρανού την ημέρα και το ερυθρό κατά τη δύση του ηλίου.

* Η παραγωγή ζεύγους σωματιδίων (δίδυμη γένεση)

Η δίδυμη γένεση είναι το φαινόμενο της παραγωγής ενός ζεύγους κάποιου σωματιδίου και του αντισωματιδίου του.

Για να γίνει η παραγωγή του ζεύγους πρέπει η ενέργεια του φωτονίου να είναι τουλάχιστον ίση με την ολική ενέργεια ηρεμίας των δύο σωματιδίων, η επιπλέον ενέργεια μοιράζεται στα σωματίδια του ζεύγους.

Ο μηχανισμός αυτός λαμβάνει χώρα όταν το φωτόνιο περνώντας κοντά από τον πυρήνα του ατόμου, υφίσταται την ισχυρή ένταση του πεδίου του. Στην δίδυμη γένεση το φωτόνιο εξαφανίζεται και η ενέργειά του χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του ζεύγους ηλεκτρονίου -ποζιτρονίου

Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Αμερικανό φυσικό Καρλ Άντερσον το 1932.

Η δίδυμη γένεση είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα της μετατροπής ενέργειας σε μάζα δύο σωματιδίων. Το αντίθετο φαινόμενο της δίδυμης γένεσης είναι η εξαΰλωση.

* Φωτοδιάσπαση ή φωτομεταστοιχείωση πυρήνων

Είναι η διαδικασία με την οποία ένα φωτόνιο μεγάλης ενέργειας πχ γάμμα συλλαμβάνεται (απορροφάται) από τον πυρήνα του ατόμου και οδηγεί στην εκπομπή ενός σωματιδίου μέσα από τον πυρήνα του ατόμου λ.χ. νετρονίου ή πρωτονίου και τη μετατροπή του σε άλλον πυρήνα, οπότε όλη η ενέργεια του φωτονίου προσφέρεται στον πυρήνα. Επειδή απαιτούνται υπερβολικά υψηλές τιμές ενέργειας φωτονίων, η διαδικασία αυτή δεν είναι συνηθισμένη για τις ακτίνες Χ, αλλά για τις ακτίνες γάμμα. Μπορεί να συμβαίνει όμως σε εργαστηριακά πειράματα ή σε αστρικές διαδικασίες στα υπερνόβα-σουπερνόβα.