1. Работа выхода электронов из металла.

Cуществование свободных электронов в металлах объясняется следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся свободными и могут перемещаться по всему объему. В узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Свободные электроны, имеющиеся в металле, при обычных температурах удерживаются внутри металла, так как на границе металл – вакуум для них существует потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов.

Металл представляет для электронов «потенциальную яму» и покинуть металл удается только тем электронам, кинетическая энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера.

Есть две вероятные причины появления работы выхода:

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

2. Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояние порядка атомных размеров и создают тем самым над поверхностью металла < электронное облако>, плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образуют двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10^-10м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла. Таким образом, электроны при выходе из металла должны преодолеть задерживающее действие электрического поля двойного слоя. Разность потенциалов  в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода А электрона из металла:  = А/е,

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 - е и является относительно вакуума отрицательной. Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт ( 2,2 эВ у калия и 6,3 эВ у платины).

Потенциальная энергия электрона внутри металла меньше, чем вне металла. Изменение потенциальной энергии электрона происходит в пределах тонкого слоя на границе металл – вакуум, поэтому оно может быть названо скачком потенциальной энергии.

На рис. 1 изображен потенциальный барьер для электрона в металле.

- потенциальная энергия электрона вне металла.

- потенциальная энергия электрона внутри металла.

- определяет высоту потенциального барьера.

В классической электронной теории =A называется работой выхода электрона из металла.

Работа выхода электрона измеряется обычно в электрон-вольтах и составляет величину в несколько электрон-вольт. Если электрон в металле имеет кинетическую энергию большую, чем величина работы выхода, то он может покинуть металл. При комнатных температурах средняя кинетическая энергия теплового движения электронов мала и поэтому малое число электронов покидает металл. Для увеличения выхода электронов из металла необходимо повышать температуру металла. Это приводит к увеличению средней кинетической энергии электронов. При хаотическом тепловом движении в результате столкновений некоторые электроны приобретают энергию значительно большую средней энергии. Число таких «быстрых» электронов, способных покинуть металл, растет с ростом температуры. Выход электронов из металла, вследствие его нагревания, называется термоэлектронной эмиссией. Явление термоэлектронной эмиссии используется в электронных лампах. /рис.2/. Если катод электронной лампы нагреть, пропуская через него ток, и постепенно увеличивать напряжение между катодом и анодом , то анодный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не достигнет насыщения. Насыщение анодного тока наступает тогда, когда все электроны, испускаемые катодом в единицу времени, достигают анода. При

дальнейшем увеличении анодный ток уже не

будет увеличиваться. Таким образом, величина тока насыщения определяется интенсивностью термоэлектронной эмиссии катода лампы.

При увеличении температуры катода увеличивается число электронов, выходящих из металла в единицу времени, то есть растет термоэлектронная эмиссия, а значит увеличивается ток насыщения.

Кривая изменения анодного тока в зависимости от анодного напряжения называется вольтамперной /анодной/ характеристикой лампы. На рис. 3 изображены вольтамперные характеристики, полученные при различных температурах катода и . >