Во всех металлах имеются свободные электроны, которые хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов кристаллической решетки. Внутри металла действие положительных ионов на свободный электрон в среднем скомпенсировано. На электрон, оказавшийся за наружным слоем положительных ионов, действует электрическая сила притяжения со стороны, этих ионов. Когда электроны при своем хаотическом движении пересекают поверхность металла, эта сила тормозит их движение и втягивает обратно в металл. Это означает, что потенциальная энергия электрона в металле меньше, чем вне его. Таким образом, если потенциальную энергию электрона вне металла принять за нуль, то, его потенциальная энергия внутри металла будет отрицательна.

Пусть имеется кусок металла, изображенный на рис. 18.1, а заштрихованным прямоугольником. Возьмем ось х, перпендикулярную поверхности металла, и выберем начало отсчета О. Изменение потенциальной энергии электрона в зависимости от координаты х показано на рис. 18.1,6. Потенциальная кривая имеет вид потенциальной ямы. При этом ∆П обозначает скачок потенциальной энергии при переходе свободного электрона из металла наружу, т. е. глубину потенциальной ямы, в которой находятся электроны, хаотически движущиеся внутри металла. Для выхода из металла электрон за счет своей кинетической энергии должен совершить работу А_В, равную по величине глубине потенциальной ямы ∆П, т. е.

А_В = ∆П. (18.1)

Так как скачок потенциальной энергии электрона обусловлен электрическим полем на границе металла, то:

∆П =е∆ϕ, (18.2)

где ∆ϕ обозначает скачок потенциала при переходе через поверхность металла, а е — заряд электрона. Подставляя в (18.1) значение ∆П из (18.2), получим:

А_В = е∆ϕ. (18.3)

Минимальную работу А_В, которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла (и не вернуться в него), называют работой выхода. Практически можно считать, что работа выхода зависит только от рода металла и от чистоты его поверхности.

При нормальных условиях средняя кинетическая энергия хаотического движения свободных электронов в металле много меньше А_В. Однако некоторые электроны, кинетическая энергия которых больше А_В, могут покинуть поверхность металла. Поэтому над поверхностью металла всегда имеются хаотически движущиеся электроны. Поскольку при нагревании металла средняя кинетическая энергия его свободных электронов возрастает, то можно ожидать, что при достаточно высокой температуре количество свободных электронов, вылетающих с поверхности металла, существенно возрастет. Опыт показывает, что это действительно так. Вылет свободных электронов из металла, вызванный его нагреванием, называется термоэлектронной эмиссией. Заметная эмиссия электронов из металла наблюдается при температуре около 1000 К.

Возьмем лампу накаливания с впаянным в нее дополнительным электродом А (рис. 18.2). Присоединим этот электрод и нить накала К к батарее, включив в эту цепь гальванометр G. Если лампа не включена в сеть, тока в гальванометре нет, так как нет заметной эмиссии зарядов из холодной нити К. Если же лампа включена в сеть, то, когда электрод А соединен с отрицательным полюсом батареи, тока в гальванометре нет (рис. 18.2, а), а когда с положительным полюсом — ток есть (рис. 18.2, б). Это означает, что раскаленная нить К испускает отрицательные заряды, т. е. электроны, которые и являются носителями тока. При отрицательном заряде электрода А электроны держатся около нити, а при положительном заряде они устремляются от нее к электроду А.