Работа выхода электронов из металла

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. Укажем 2 вероятные причины появления работы выхода:

1. Если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.

2. Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояние порядка атомных, и создают тем самым над поверхностью металла “электронное облако”, плотность которого резко убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решётки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям ( м). Он не создаёт электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла.

Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя. Разность потенциалов в этом слое называется поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода электрона из металла:

,

где - заряд электрона. Так вне двойного слоя электрическое поле отсутствует, то потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен, и равен . Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла равна и является относительно вакуума отрицательной. Исходя из этого можно считать, что весь объём металла для электронов проводимости представляет потенциальную яму с плоским дном, глубина которой равна работе выхода .

Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда при прохождении им разности потенциалов в 1 В. Так как заряд электрона равен Кл, то 1 эВ = Дж.