Основы физики твердого тела: Учебное пособие (содержит конспект лекций и практическую часть), страница 18

Работа выхода электрона из металла равна минимальной энергии, которую необходимо сообщить свободному электрону, чтобы он мог совершить работу против сил двойного слоя и выйти на свободную поверхность металла (рис. 4.5). Такую энергию можно сообщить электронам, находящимся на уровне Ферми: A_В = U - E_Ф.

Работа выхода зависит от рода металла,  наличия в нём примесей, состояния поверхности,  наличия внешнего электрического поля,  температуры металла. Работа выхода для различных металлов имеет порядок величины (1 ¸ 10) эВ.

 4.5.  Контактные явления

Если два разнородных металла привести в соприкосновение, между ними возникнет разность потенциалов, которая называется контактной. Она обусловлена тем, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой.

E                                                                                                                      U_вн

                                              A_в1                                  A_в2

                                A_в       

   U                                      E_ф1

                                E_ф

                                                                                      E_ф2                     U_внут.

                                                                  а)                                  б)

           Рис. 4.5                                                             

                                                                                             Рис. 4.6

Рассмотрим металлы 1 и 2 с разными работами выхода электронов (А₁ и А₂) и разными энергиями Ферми (Е_Ф1 и Е_Ф2) (рис. 4.6а). Если эти металлы находятся в вакууме на некотором расстоянии и не заряжены, то между ними нет электрического поля. Если электрон из металла 1  перейдёт в металл 2, то при этом выделится энергия, равная разности работ выхода (А₁ – А₂),  такой переход может осуществляться произвольно. Если сблизить металлы 1 и 2 так, чтобы электроны могли свободно переходить из одного металла в другой, то через переход устремятся потоки электронов из 1 в 2 и обратно из 2 в 1.

Кинетическая энергия электронов, находящихся на уровнях Ферми в различных металлах,  различна (Е_Ф1 < Е_Ф2). Поэтому в контакте возникает более интенсивный переход электронов из металла с большим значением Е_Ф в металл

с меньшим значением Е_Ф. В результате второй металл будет заряжаться отрицательно, а первый -  положительно. Между металлами будет возникать разность потенциалов, препятствующая дальнейшему преимущественному переходу электронов.

В условиях установившегося равновесия уровень Ферми в обоих металлах должен быть одинаковым (рис. 4.6б), при этом энергетические уровни в металле, зарядившемся отрицательно поднимутся, а в металле, зарядившемся положительно,  опустятся  (рис. 4.4 б и 4.4 в). Таким образом, возникает два скачка потенциала: внешний и внутренний.

Внешняя контактная разность потенциалов возникает между двумя точками, лежащими в непосредственной близости от поверхности металлов.

.                       

Она определяется различной работой выхода электронов из металлов (е – заряд электрона).  Внешняя контактная разность потенциалов между двумя металлами может составить величину от нескольких десятых вольта до нескольких вольт.

Внутренняя контактная разность потенциалов возникает на стыке двух металлов и определяется различным значением энергии Ферми у металлов.

            .                        

На такую величину убывает потенциал при переходе электронов из второго металла в первый. Так как энергия Ферми зависит от концентрации свободных электронов в металле, то внутренняя контактная разность потенциалов в конечном итоге определяется этим параметром.

                                                                                            1                    2