Warum entweicht elektrische Ladung nicht sofort von geladenen Objekten?

Ich konzentriere meine Frage auf ein bestimmtes Beispiel: Eine Metallkugel, die von Vakuum umgeben ist, erhält eine negative Ladung. Ich weiß, dass, wenn diese Ladung groß genug ist, Elektronen aus der Kugel emittiert werden, aber warum ist die Schwelle dafür so hoch? So wie ich es verstehe, liegt der Grund, warum ein Elektron trotz der elektrischen Abstoßung auf der negativen Sphäre bleibt, in der Austrittsarbeit des Metalls. Die Austrittsarbeit von Metallen beträgt jedoch typischerweise ~4 eV. Würde dies nicht darauf hindeuten, dass -4 Volt die Schwelle für die Elektronenemission aus der Kugel im Vakuum wäre? (Oder eine Spannung, die aufgrund der thermischen Verteilung der Elektronenenergien im Metall noch näher an Null liegt.) Dies scheint viel zu klein zu sein, und ich würde denken, dass der Schwellenwert eher eine minimale Feldstärke als eine minimale Spannung betreffen würde.

Elektronenvolt ist eine Einheit der Energie. Wenn Sie Volt an eine Probe anlegen, definiert der Abstand, auf dem diese potenzielle Energie des elektrischen Felds verteilt ist, die Kraft, die auf ein einzelnes Elektron empfunden wird, wie in einer der Antworten analysiert.

Antworten (3)

Ein elektrisches Feld, das Elektronen aus dem Metall herausziehen würde, müsste stark genug sein, um eine Spannungsdifferenz von zu liefern 4 v über eine Distanz bezogen auf die Austrittsarbeit – die Distanz zwischen „Elektron ist im Metall“ und „Elektron ist außerhalb des Metalls“. Man sollte erwarten, dass dieser Abstand in der Größenordnung von wenigen Atomlagen liegt, dh 10 10 M : Daher würde man erwarten, dass das erforderliche elektrische Feld in der Größenordnung von liegt G v / M .

Andererseits, 4 e v sind eine sehr hohe Temperatur, was einen Elektronenverlust aufgrund thermischer Emission äußerst unwahrscheinlich macht. 0,025 e v Raumtemperatur sind, und somit 4 e v Sind 160 mal Raumtemperatur -- bei Raumtemperatur liegt also der Anteil der Elektronen mit ausreichend hoher Energie in der Nähe e 160 , eine astronomisch kleine Zahl sogar im Vergleich zur Anzahl der Elektronen in einem Festkörper.

Wenn das Potential des Leiters -4 V beträgt, würde es dann keinen Energieunterschied geben, der mit dem Entfernen eines Elektrons vom Leiter zu einem Punkt im Raum außerhalb davon verbunden ist?
Oder ist die Antwort, dass nur Orte, die weit vom Leiter entfernt sind, auf Null V liegen; ein paar Atomlagen entfernt liegt das elektrische Potential immer noch nahe bei -4V.
Solange es ein Maximum des Potentials gibt, das über thermische Schwankungen etc. hinausreicht, reicht es aus, den Prozess zu hemmen. Wie ich argumentiert habe, sind 4 eV mehr als genug.

Die Schwelle für die Elektronenemission aus einem Metall ist deshalb so hoch, weil bei Raumtemperatur die Austrittsarbeit des Metalls von mehreren 1 eV (die als Emissionsbarriere wirkt) weit über der thermischen Energie kT=0,026 eV der Elektronen im Metall liegt. Daher kann bei Raumtemperatur gemäß der Fermi-Verteilung nur ein winziger Bruchteil des Elektrons diese Barriere überwinden. Eine signifikante Emission kann durch Erhitzen des Metalls erreicht werden, was zu einer thermionischen Emission über die Barriere führt, die in thermionischen Kathoden von Elektronenröhren verwendet wird. Ein weiterer Mechanismus der Elektronenemission aus dem Metall ist die Feldemission (Fowler-Nordheim-Emission), die durch hohe angelegte elektrische Oberflächenfelder verursacht wird, die die Oberflächenbarriere verringern und ein quantenmechanisches Tunneln durch die dreieckige Potentialbarriere ermöglichen, die durch die Austrittsarbeit und das Oberflächenfeld gebildet wird. die für die (kalten) Elektronen im Metall bei hohen angelegten Feldern im Bereich von mehreren MV/cm transparent wird. Daher kann erwartet werden, dass bei ausreichend hoher negativer Ladung der Metallkugel die elektrische Feldstärke der Oberfläche eine kritische Stärke erreicht, um eine signifikante Feldemission der Elektronen zu verursachen. Bei gleicher angelegter elektrischer Potentialdifferenz tritt dies bei Kugeln mit kleinerem Radius auf. Die Feldemission von Elektronen wird für Feldemissionskathoden mit scharfen Metallspitzen verwendet, z.

Wenn sich ein Elektron aus einer Metalloberfläche herausbewegt, gibt es sofort eine Bildladung (positive virtuelle Ladung) auf der anderen Seite dieser Oberfläche, die es zurückzieht. Die „Austrittsarbeit“ ist die kinetische Energie, die das freie Elektron benötigt, um auf eine große Entfernung zu entkommen, und muss sowohl die Oberflächenbindungsenergie als auch die langreichweitige Anziehungskraft umfassen, die ein Leiter auf eine nahe Ladung ausübt.

Die Kugel, wenn sie sehr groß ist, könnte ein lokales Feld haben, das vollständig von der (anziehenden) Bildladung und nicht von der (abstoßenden) Nettoladung auf der Kugel dominiert wird. Die Nettoladung ist einen Kugelradius entfernt, und die Bildladung ist zwei Oberfläche-zu-Elektron-Schritte entfernt.

Das Bildladungspotential führt zu einer Absenkung der Potentialbarriere (effektive Austrittsarbeit) auf der Oberfläche des Metalls, was als "Absenkung der Bildladungsbarriere" bezeichnet wird, ein wohlbekannter Effekt bei der Fowler-Nordheim-Feldemission. Somit verstärkt es die Emission von Elektronen aus dem Metall.
Die „Absenkung der Bildladungsbarriere“ gilt für Halbleiter/Metall-Grenzflächen. In einer Metall/Vakuum-Grenzfläche zieht die Bildladung ein austretendes Elektron zurück zur Oberfläche.
Im Metall/Vakuum-Fall wurde die Bildladungsbarrierenerniedrigung bereits Ende der 1920er Jahre von Fowler und Nordheim bei der Ableitung der Fowler-Nordheim-Emissionsstromgleichung und von vielen späteren Arbeiten zu diesem Thema, auch für die Feldemission, berücksichtigt in Halbleiter. Die Barrierenabsenkung bei Metall/Vakuumbarrieren ist im Prinzip der gleiche Effekt wie bei Metall/Halbleiterbarrieren (Schottky-Effekt). Letztere ist nur aufgrund der größeren Permittivität des Halbleiters schwächer. [Siehe zB Wikipedia "Field Electron Emission", Gleichungen (2) und (3).]
@ Whit3rd - Du hast Recht, die Bildkraft zieht ein austretendes Elektron zurück an die Oberfläche. Wenn Sie jedoch ein elektrisches Feld an die Oberfläche anlegen, ergibt die Überlagerung des linearen (in x) Potentials des angelegten homogenen elektrischen Felds und des 1/x-Potentials der Bildladung paradoxerweise ein Potentialenergiemaximum (effektive Barriere). ist kleiner als die Austrittsarbeit im Fall ohne angelegtes externes Feld.