Я сосредоточу свой вопрос на конкретном примере: металлическая сфера, окруженная вакуумом, получает отрицательный заряд. Я знаю, что когда этот заряд достаточно велик, из сферы будут испускаться электроны, но почему порог для этого так высок? Насколько я понимаю, причина, по которой электрон остается на отрицательной сфере, несмотря на электрическое отталкивание, заключается в работе выхода металла. Но работа выхода металлов обычно составляет ~ 4 эВ. Разве это не предполагает, что -4 Вольта будут порогом для эмиссии электронов из сферы в вакууме? (Или напряжение даже ближе к нулю из-за теплового распределения энергии электронов в металле.) Это кажется слишком маленьким, и я думаю, что порог будет касаться минимальной напряженности поля, а не минимального напряжения.
Электрическое поле, которое вырывает электроны из металла, должно быть достаточно сильным, чтобы обеспечить разность потенциалов на расстоянии, связанном с работой выхода — расстояние между «электрон находится в металле» и «электрон находится вне металла». Следует ожидать, что это расстояние будет порядка нескольких атомных слоев, т. е. : Следовательно, можно было бы ожидать, что электрическое поле должно быть порядка .
С другой стороны, имеют очень высокую температуру, что делает потерю электронов из-за теплового излучения крайне маловероятной. имеют комнатную температуру и, следовательно, являются умножить на комнатную температуру - таким образом, при комнатной температуре доля электронов с достаточно высокой энергией составляет около , астрономически малое число даже по сравнению с количеством электронов в твердом теле.
Порог эмиссии электронов из металла настолько высок, потому что при комнатной температуре работа выхода металла в несколько 1 эВ (которая действует как барьер эмиссии) намного превышает тепловую энергию kT = 0,026 эВ электронов в металле. Следовательно, при комнатной температуре только ничтожная часть электронов может преодолеть этот барьер в соответствии с распределением Ферми. Значительная эмиссия может быть достигнута при нагреве металла, что приводит к термоэлектронной эмиссии через барьер, который используется в термоэмиссионных катодах электронных ламп. Другим механизмом эмиссии электронов из металла является полевая эмиссия (эмиссия Фаулера-Нордгейма), вызванная сильными приложенными электрическими поверхностными полями, которые уменьшают поверхностный барьер и делают возможным квантово-механическое туннелирование через треугольный потенциальный барьер, образованный работой выхода и поверхностным полем. который становится прозрачным для (холодных) электронов в металле при высоких приложенных полях в диапазоне нескольких МВ/см. Поэтому можно ожидать, что при достаточно сильном отрицательном заряде металлического шара напряженность поверхностного электрического поля достигнет критической силы, вызывающей значительную автоэмиссию электронов. При одинаковой приложенной разности электрических потенциалов это будет происходить для сфер меньшего радиуса. Автоэлектронная эмиссия используется для автокатодов с острыми металлическими наконечниками, например,
Когда электрон выходит за пределы металлической поверхности, на другой стороне этой поверхности немедленно появляется заряд изображения (положительный виртуальный заряд), который притягивает его обратно. «Работа выхода» — это кинетическая энергия, необходимая свободному электрону, если он хочет убежать на большое расстояние, и она должна включать как энергию поверхностной связи, так и силу дальнего притяжения, которую проводник оказывает на соседний заряд.
Сфера, если она очень большая, может иметь локальное поле, полностью подчиненное (притягивающему) заряду изображения, а не суммарному (отталкивающему) заряду сферы. Чистый заряд находится на расстоянии одного радиуса сферы, а заряд изображения — на расстоянии двух шагов от поверхности до электрона.
Анна В