Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия

Электроны проводимости в металлах образуют своеобразный электронный газ и участвуют в тепловом движении. Но поскольку они удерживаются в объеме металла, а не разлетаются из него, значит, вблизи поверхности металла существуют силы, действующие на элек­троны и направленные внутрь металла. Для того чтобы электрон вы­вести за пределы металла необходимо совершить определенную ра­боту против удерживающих его сил.

Работой выхода А электрона из металла называется работа, которую нужно совершить при удалении электрона из металла в ва­куум.

Электрон – заряженная частица и сила, препятствующая его выходу из металла, имеет электрическую природу. Существуют две наиболее вероятные причины возникновения этой силы, а следова­тельно, и работы выхода.

Электрон, обладая достаточной кинетической энергией, может покинуть поверхность металла. На поверхности металла в результате этого индуцируется положительный заряд, отчего между электроном и металлом возникает сила притяжения, препятствующая удалению электрона. Работа этой силы представляет часть работы выхода.

Электроны вследствие хаотического движения способны пере­секать поверхность металла и удаляться от нее на малые расстояния. При этом число электронов, покидающих поверхность металла, равно числу электронов, возвращающихся в металл и на границе металл-ва­куум поддерживается динамическое равновесие электронов.

Над поверхностью металла, таким образом, существует элек­тронная “атмосфера “ т.е. у поверхности образуется как бы двойной электрический слой (напоминающий плоский заряженный конденса­тор. Рис.97)

Электрическое поле такого двойного электрического слоя заключено в малом зазоре над поверхностью металла, и прохождение электрона через этот двойной электрический слой сопровождается совершением определенной работы, связанной с разностью потенциалов А = е φ. Величину φ называют потенциальным барьером. Полная работа вы­хода электрона обуславливается обеими этими причинами.

Если электрон внутри металла имеет кинетическую энергию

,

то он может покинуть объем металла. Работа выхода для металлов имеет порядок величины несколько эВ. Энергия же теплового движения электронов в металле при комнатной температуре (Т ≃ 300⁰К) имеет величину порядка ∼ 0, 03 эВ. По­этому подавляющее большинство электронов будет связано в преде­лах металла. Однако, если электронам сообщить дополнительную энергию, то часть из них получает возможность покинуть металл и мы наблю­даем явление испускания электронов, называемое электронной эмис­сией. Различают различные типы электронной эмиссии. Если элек­троны получают энергию за счет тепловой энергии при повышении температуры, то такая эмиссия называется термоэлектронной.

При подведении энергии светом наблюдается фотоэмиссия, при бомбар­дировке поверхности какими-либо частицами наблюдается вторич­ная электронная эмиссия. Эмиссия под действием сильного элек­трического поля называется автоэлектронной. Термоэлектронную эмиссию можно наблюдать на электронной лампе – электрова­куумном диоде (рис. 98), состоящим из анода А и накаливаемого катода К, включенных в элек­трическую цепь. Ток диода (анодный ток) имеет зависимость “степени 3/2”

I = c· U^3/2, где U – анодное напряжение; с – const.

Плотность тока насыщения, когда все вылетающие с катода электроны (при дан­ной температуре катода) достигают анода, определяют по формуле Ричардсона-Дэшмана

,

где А – постоянная Ричардсона-Дэшмана =6, 02·10⁵А/м²·К², Т – абсолютная температура катода, – работа выхода материала катода, k – постоянная Больцмана.

Электрический ток в газах

Газы, состоящие из нейтральных молекул и атомов, не прово­дят электрический ток. Для возникновения электропроводности газов они должны быть ионизированы.

Ионизацией молекулы или атома называется процесс отщеп­ления или отрыва от них одного или нескольких электронов в результате чего возникают положительный ион и электроны. Если нейтральный атом и молекула присоединяют электрон, то возникает отрицательный ион. Процесс, обратный ионизации, т.е. такой, при котором элек­троны, присоединяясь к положительному иону, образуют нейтраль­ную молекулу или атом, называется рекомбинацией.

Для ионизации молекулы (атома) небходимо совершить работу ионизации А_i против сил притяжения между вырываемым электроном и атомным остатком. Эта работа зависит от вида атома, кратности ионизации, энергетического состояния. Потенциалом ионизации φ _i называется разность потенциалов в ускоряющем поле, которую должна пройти заряженная частица, чтобы накопить энергию, равную работе ионизации

.

Ионизация газов вызывается бомбардировкой его атомов и молекул заряженными части­цами (электронами, ионами, α -частицами), нейтронами, электромаг­нитным излучением.

Газовым разрядом называется процесс прохождения электри­ческого тока через газ. Различают самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды. Предположим, что на газовый промежуток действует какой-либо ионизатор (например, ультрафиолетовые или рентгеновские лучи, падающие на ка­тод и выбивающие из него фотоэлектроны), в результате чего газ становится электропроводящим и в цепи поте­чет ток (рис. 99а). Увеличение анодного на­пряжения приведет к изменению тока в цепи. Вольтамперную ха­рактеристику можно разделить на 4 участка (рис. 99б). На первом участке кривой при небольших напряжениях выполняется закон Ома. Плотность тока в газовом промежутке равна

,

где n₀ – число пар противопо­ложно заряженных частиц в еди­нице объема; u₊ и u_- - подвиж­ность этих частиц;

е – заряд электрона;

Е – напряженность поля.

На 2-м участке кривой на­блюдается отклонение от закона Ома, вызванное убыванием кон­центрации ионов в газе и ток достигает насыщения I_Н при не­котором значении U_Н. Увеличе­ние напряжения на участке 3 кри­вой не приводит к увеличению тока, т.е. все образующиеся в газе электроны и ионы достигают анода и катода.

Газовый разряд, который поддерживается вследствие действия внешнего ионизатора, получил название несамостоятельного.

Если в одном из режимов разряда на участках кривой 1-2-3 действие внешнего ионизатора прекратить, то разряд прекратится. Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к резкому возрастанию анодного тока. Это происходит вследствие того, что электроны под действием поля приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул и атомов газа. Процесс такой ионизации но­сит лавинный характер.

За время свободного пробега в сильном электрическом поле электрон(e) успевает приобрести энер­гию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой(M), вызвать ее ионизацию.

При этом образуется положитель­ный ион и добавочный электрон.

Эти два электрона в свою очередь набрав нужную энергию ионизируют два атома, а образовавшиеся (2+2) электрона ионизируют следующие 4 атома и удвоят количество электронов и т.д. Таким образом, происходит лавинообразное раз­множение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и уси­ление разрядного тока как показано на рис. 100.

Самостоятельным газовым разрядом называется электрический разряд в газе, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Для существования самостоятельного газового разряда необходимо, чтобы электронные лавины поддерживали сами себя, т.е. чтобы в газе происходил еще и другой процесс, непрерывно воспроизводящий новые электроны взамен ушедших на анод.

Такими могут быть процессы вторичной электронной эмиссии с катода в результате его бомбардировки ускоренными положитель­ными ионами, фотоэффект, соударения положительных ионов с ней­тральными молекулами и атомами.

Виды газовых разрядов:

Тлеющий – наблюдаемый при давлениях 0, 1 – 0, 01 мм. рт. ст., применяется в газовых трубках, лампах дневного света (красное све­чение у неона, синевато-зеленое – у аргона, желтоватые – у натрия).

Искровой разряд – возникает между электродами при силь­ных полях – на воздухе Е_крит ≃ 3·10⁶ В/м или 30 кВ/см, в вакууме Е_к­рит выше.

Коронный разряд – когда вследствие высокой напряженности на острие электрода начинает развиваться лавинный процесс, но вследствие снижения напряженности поля по мере удаления от ост­рия эта лавина не достигает анода.

Молния – вид искрового разряда. Токи 10⁴ - 5 ·10⁵ А. Δ U 10⁸- 10⁹ В, длительность мкс., заряд 0, 1 – 200 Кл. Сильное разо­гревание воздуха приводит к возникновению ударной звуковой волны – грому.

Дуговой разряд – при низком сопротивлении цепи искровой разряд переходит в дуговой, который протекает при высоких токах в десятки и сотни ампер.

Понятие о плазме

Известны 3 состояния вещества – твердое, жидкое и газооб­разное. Плазма – это четвертое состояние вещества и при том наибо­лее распространенное в природе. Солнце и звезды представляют со­бой сгустки плазмы. Ионосфера Земли также представляет собой плазму (на высоте от 60 до 20000 км).

Плазмой называется особое состояние вещества, важнейшим свойством которого является высокая степень (доходящая до полной) ионизации вещества (степень ионизации α – это отношение числа ио­низированных частиц к их первоначальному количеству).

Различают: слабоионизированную (α ≃ долям %), умеренно ионизированную (α ≃ единицы %) и полностью ионизированную плазму (α ≃ 100%). Слабоионизированная плазма наблюдается в ио­носфере. Полностью ионизированная высокотемпературная – на Солнце и горячих звездах.

В лабораторных и промышленных условиях плазма создается в газовых разрядах.

Важное свойство плазмы – квазинейтральность. Способы получения плазмы - термический, газоразрядный и фотоионизаци­онный. При температуре t ≥ 10000⁰ вещество существует в виде плазмы.

Примеры использования и наблюдения плазмы:

- молния, северное сияние, искра короткого замыкания;

- газоразрядные трубки рекламы, МГД – генераторы для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, и. нако­нец, возможность осуществления термоядерной реакции синтеза ядер водорода.