Рис. 169. Электроны, вылетевшие за границу металла, втягиваются назад. Лишь самые быстрые и ускоренные полем E покидают металл насовсем.
По сути, тонкий слой электронного газа, обволакивающий поверхность металла, аналогичен атмосфере Земли, атомы которой тоже не могут уйти в космическое пространство, поскольку для этого необходимо преодолеть земное притяжение, совершив своего рода работу выхода. Скорости атомов меньше первой космической, и, взлетев до некоторой высоты, они возвращаются к поверхности. Лишь у планет с горячей атмосферой или малыми размерами атомы непрестанно утекают в пространство. Подобно концентрации атомов в атмосфере, концентрация электронов падает с удалением от поверхности — по экспоненциальному закону. И лишь редкие высокоскоростные электроны доходят до внешних слоёв электронного облака.
Нагрев металла ускоряет движение электронов, и всё большему их числу удаётся покинуть металл. Так возникает термоэлектронная эмиссия, аналогичная утечке атомов газа из нагретой атмосферы. В случае холодной эмиссии, реализуется иной вид утечки: не от роста скорости частиц электронного газа, а от падения запирающей силы и работы выхода (это соответствует утечке газов с малых планет, не способных удержать атомы своим полем). Ведь, при холодной эмиссии электрон находится не только в запирающем поле электронной атмосферы, но и во внешнем ускоряющем поле E, которое снижает возвратную силу FT и позволяет электронам, преодолев притяжение металла, покинуть его насовсем.
Прежде считали, что внешнее поле не способно придать достаточную энергию электрону, поскольку внутри металла электрическое поле отсутствует, а выйти из металла электрон, по прежним представлениям, не мог. Реально же электроны вылетают из металла и на пути L набирают в поле E энергию EL. То есть, внешнее поле успевает сообщить электрону энергию A достаточную для полного выхода из металла. Здесь и впрямь наблюдается, своего рода, туннельный эффект: электронный газ выходит на некоторую высоту из металла, не будучи скован его границами, словно он размыт. Но размытость эта не имеет ничего общего с квантово-механической неопределённостью положения и энергии электрона, с представлением его в виде волны. Явление имеет чисто классическую природу, ибо газы и атмосферы, в том числе электронные, не могут иметь чётких границ. Их граница всегда условна, размыта.
Наконец, и количественно ток электронов при холодной эмиссии вполне соответствует классической теории. Как было сказано, концентрация электронной атмосферы в приповерхностном слое металла спадает с расстоянием h от границы — по экспоненциальному закону Больцмана n~e—h/H, подобно спаду концентрации молекул земной атмосферы с высотой h, где H~kT — характерная высота, растущая с увеличением температуры T и оценочно равная толщине атмосферного слоя. Набрать энергию A, достаточную для полного улёта из металла, способны только те электроны, которые пройдут в ускоряющем поле E путь L=A/E. Иначе говоря, покинуть металл смогут электроны, взлетающие на высоту h>L. Число их легко найти интегрированием их концентрации n~e—h/H, в пределах изменения h от высоты L до бесконечности. Отсюда найдём, что процент вылетающих электронов, способных покинуть металл, пропорционален e—L/H= e—A/HE. Именно такая зависимость тока холодной эмиссии I~ e—E'/E и была найдена в опытах, где постоянная E'=A/H [36, 134].
Аналогично объясняется туннельный эффект для двух металлических пластин, отделённых тонким слоем диэлектрика. Электроны одной пластины влетают внутрь диэлектрика и, при малой его толщине, могут пройти в другую пластину. В отсутствие напряжения, этот поток уравновешивается обратным. Но, при наложении напряжения, этот баланс нарушается, и через такой контакт пойдёт небольшой ток, величина которого экспоненциально растёт с температурой T и с уменьшением толщины L диэлектрика. Такое же тонкое электронное облако создаётся в переходном слое на границе двух металлов, имеющих разную концентрацию электронов, что объясняет контактную разность потенциалов.