§ 89. Работа выхода.

В § 87 мы говорили о том, что свободные электроны находятся внутри металла в непрерывном тепловом движении. Однако, несмотря на это, они не разлетаются из металла. Это свидетельствует о том, что есть какие-то силы, препятствующие их вылету, т. е. что на электроны, стремящиеся выйти за поверхность металла, в поверхностном слое действует электрическое поле, направленное от металла наружу (электроны отрицательны). Это значит, что при прохождении электрона через поверхностный слой металла силы, действующие на электрон в этом слое, совершают отрицательную работу  (здесь ), а следовательно, между точками внутри металла и снаружи имеется некоторая разность потенциалов , называемая потенциалом выхода.

Из сказанного следует, что для удаления электрона из металла в вакуум нужно совершить против сил, действующих в поверхностном слое, положительную работу , называемую работой выхода. Эта величина зависит от природы металла.

Между работой выхода и потенциалом выхода имеется очевидное соотношение

,                      (89.1)

где  – заряд электрона (точнее, абсолютное значение заряда электрона, равное элементарному заряду). Поэтому работу выхода обычно записывают в виде .

Работу  против сил в поверхностном слое электрон может совершить за счет запаса кинетической энергии. Если кинетическая энергия меньше работы выхода, он не сможет проникнуть через поверхностный слой и останется внутри металла. Таким образом, условие, при котором электрон может вылететь из металла, имеет вид

.                  (89.2)

Здесь  – масса электрона,  – нормальная (перпендикулярная к поверхности) составляющая его скорости,  – работа выхода.

При комнатной температуре средняя энергия теплового движения электронов в металле в несколько десятков раз меньше работы выхода; поэтому практически все электроны удерживаются полем, имеющимся в поверхностном слое, внутри металла.

Работу выхода обычно измеряют не в джоулях, а в электронвольтах (эВ). Один электронвольт есть работа, совершаемая силами поля над зарядом, равным заряду электрона (т. е. над элементарным зарядом ), при прохождении им разности потенциалов один вольт:

.                    (89.3)

89.1. Работа выхода для вольфрама (металла, применяемого для изготовления нити электронной лампы) равна 4,53 эВ. Найдите наименьшую скорость, при которой возможен вылет электрона из этого металла наружу. Масса электрона равна  кг, заряд его равен  Кл. Объясните, почему 1 эВ равен  Дж.