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 две 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 расстояния порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла «электронное облако» (рис. 25.1,а), плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой (рис. 25.1,б), поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла.

a) б)

рис 25.1

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

где е – заряд электрона. Так как 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 объем металла для электронов проводимости представляет потенциальную яму с плоским дном (рис.25.2), l– линейные размеры металла), глубина которой равна работе выхода А:

рис 25.2

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

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт. Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода.

Условие, при котором электрон может вылететь из металла, имеет вид:

где m – масса электрона, – проекция скорости электрона на направление нормали к поверхности металла.