La conductivité électrique élevée des métaux est due à la présence en eux d'un grand nombre d'électrons libres détachés des atomes. Ces électrons - les électrons de conduction - forment ce qu'on appelle le gaz d'électrons dans le métal. Les électrons libres subissent un mouvement thermique et possèdent de l'énergie cinétique, mais sont retenus à l'intérieur du métal en raison de leur interaction coulombienne avec le réseau cristallin chargé positivement. Pour qu’un électron quitte le métal, un travail doit être effectué contre ces forces, ce que l’on appelle fonction de travail des électrons.

Deux raisons conduisent à l’émergence de la fonction de travail. La première est la suivante. Lorsqu'un électron tente de quitter le métal, une charge positive induite apparaît à sa surface (ce qu'on appelle le miroir électrostatique). En conséquence, une force d'attraction apparaît entre l'électron et le métal, dirigée vers le métal, empêchant l'électron de sortir et de se manifester à l'extérieur du corps (Fig. 1). Travailler contre la force d’attraction vers un corps chargé positivement est la partie principale de la fonction de travail. Cette partie du travail de travail est similaire à l’énergie d’ionisation des atomes ou des molécules.

De plus, il existe une contribution à la fonction de travail associée à la présence d'une double couche électrique dans la région proche de la surface de tout corps (Fig. 2). Cela se produit même sur une surface cristalline parfaitement régulière et propre. Les électrons individuels quittent constamment la surface du métal, s'en éloignent à plusieurs distances interatomiques, puis s'arrêtent sous l'influence de la charge non compensée des ions chargés positivement et reviennent. En conséquence, le métal se retrouve entouré d’un mince nuage d’électrons (Fig. 2).

L'épaisseur de la double couche est de l'ordre de plusieurs distances interatomiques (10 -10 h10 -9 m). En raison du champ électrique de la double couche, une force agit sur les électrons dirigés vers le cristal. Le travail visant à vaincre la force agissant en raison du champ électrique de la double couche à la limite du corps est la deuxième composante de la fonction de travail. Au-delà de la région à double couche à l’extérieur du cristal, seule la force coulombienne, évoquée ci-dessus, agit sur les électrons.

Lors du passage à travers la surface dans le vide, le potentiel électronique augmente d'une certaine quantité par rapport au potentiel à l'intérieur du métal. ts, appelée différence de potentiel de surface. Il est lié à la fonction de travail comme suit :

Où e - module de charge électronique. La fonction de travail est généralement exprimée en électronvolts (eV) :

1 eV = 1,6·10-19 Joules.

Pour retirer un électron d’un volume métallique au-delà de ses limites, l’énergie cinétique de l’électron doit dépasser le travail de travail.

Où m- la masse des électrons, v- sa vitesse. Lorsque la condition (2) est remplie, le phénomène d'émission électronique est observé, c'est-à-dire émission d'électrons à partir d'une surface métallique. Pour observer l’émission électronique, il est nécessaire de transmettre de l’énergie aux électrons.

Selon le mode de transport de l'énergie, on distingue quatre types d'émissions :

• 1. Émission thermoionique- émission d'électrons par les métaux chauffés. Avec l'augmentation de la température, le nombre d'électrons augmente fortement, dont l'énergie cinétique du mouvement thermique est supérieure au travail de travail, et le phénomène d'émission thermoionique devient plus perceptible.
• 2. Émission photoélectronique. Émission d'électrons d'un métal sous l'influence d'un rayonnement. Dans ce cas, l'électron reçoit de l'énergie supplémentaire grâce à l'énergie du photon :

Où h, - constante de Planck, n- fréquence du rayonnement incident.

• 3, Émission d'électrons secondaires - l'émission d'électrons lorsqu'une surface est bombardée de l'extérieur avec un faisceau d'électrons ou d'autres particules.
• 4. Émission de champ - émission d'électrons depuis la surface d'un métal sous l'influence d'un fort champ électrique externe.

Tous les types d'émission sont utilisés dans divers appareils électroniques, mais l'émission thermoionique la plus contrôlée est le plus souvent utilisée.

La fonction de travail est une caractéristique de la surface d’un corps. Les faces d'un même cristal, formées par différents plans cristallographiques ou recouvertes de différentes substances, ont des fonctions de travail différentes. Par exemple, pour réduire le travail de sortie, la surface du tungstène est recouverte d'une fine couche de thorium, de césium, de baryum ou d'oxydes de certains métaux (cathodes activées). L'épaisseur de la couche est de plusieurs dizaines de milliers de distances interatomiques.

Émission d'électrons du métal

À des températures normales, l’énergie des électrons n’est pas suffisante pour quitter le corps. Pour obtenir une émission électronique, il est nécessaire de conférer une énergie supplémentaire aux électrons.

L'absence d'émission à des températures normales s'explique par deux raisons .

D'abord est-ce que les électrons ont la plus haute énergie ( W 0 ou plus), avec leur mouvement aléatoire, s'approchent de la surface du métal, mais ils sont attirés par les ions positifs du réseau spatial. Un « film électronique » se forme à la surface (Fig. 5.3, UN). Bien entendu, il n’est pas « gelé », mais est en équilibre dynamique. De nouveaux électrons entrent dans ce « film », et ceux qui y pénétraient auparavant retournent dans les profondeurs du métal.

Il existe un champ électrique entre le film électronique et les ions positifs, qui ralentit les électrons essayant de quitter le corps (Fig. 5.3, b). On dit qu’une double couche électrique (une couche d’électrons au-dessus d’une couche d’ions) se forme à la surface du métal. Pour traverser cette couche, l'électron doit avoir plus d'énergie W 0 .

Figure 5.3. Film électronique (a) et champ électrique de la double couche électrique (b)

Deuxième cause, empêcher les électrons de s'échapper, réside dans le fait qu’un métal privé de quelques électrons se charge positivement. Un champ électrique apparaît entre lui et les électrons émis, sous l'influence duquel les électrons sont attirés vers le métal. La force de cette attraction diminue rapidement à mesure que l’électron s’éloigne de la surface métallique. Il peut être considéré comme égal à zéro lorsque l’électron s’éloigne de la surface métallique de plusieurs distances interatomiques.

Ainsi, Pour voler dans le vide et ne pas être lié au métal, l'électron doit avoir, en plus de l'énergie W 0, l'énergie nécessaire pour vaincre la force d'attraction inverse vers le métal.

L'énergie qui doit être transmise à un électron pour sortir du métal en plus de l'énergie maximale W 0 disponible à température nulle absolue est appelée fonction de travail effective ou simplement fonction de travail(W dehors).

Le travail total effectué par un électron en quittant le métal est égal à W 0 + W sortie On l'appelle parfois fonction de travail totale, et les quantités W 0 et W sortie en conséquence fonction de travail interne et externe.

Le travail effectué pour déplacer une charge électrique, divisé par l’ampleur de la charge, est égal à la différence de potentiel traversée par la charge. Si le travail W 0 + W divisé par la charge de l'électron e, alors vous obtenez une différence de potentiel.

Puisqu’un électron dépense de l’énergie en quittant un métal, le potentiel dans le vide est négatif par rapport au métal. En prenant le potentiel du métal nul, on peut écrire que le potentiel φ dans le vide à proximité de la surface métallique est égal à :

où φ 0 est le potentiel à la limite du film électronique et du vide ;

φout - potentiel correspondant à la fonction de travail.

Sur la figure 5.4, UN montre un graphique du changement de potentiel lors de la transition du métal au vide. La verticale est le potentiel négatif φ, l'horizontale est la distance X. A la frontière entre le métal et le vide, un « saut » de potentiel ou « barrière de potentiel » pour les électrons est obtenu. Dans le film électronique, le potentiel augmente dans le sens négatif de φ 0, puis dans le vide, il augmente encore de φ out. La « hauteur » totale de la barrière est φ 0 + φ out. D la Pour franchir la barrière, l'électron doit avoir une énergie d'au moins W 0 + W les électrons-volts ou « vitesse » ne sont pas inférieurs à φ 0 + φ out volts.

Figure 5.4. Barrière de potentiel à l'interface métal-vide (a)

et son analogie mécanique (b)

Un modèle mécanique visuel du rendement électronique est présenté sur la figure 5.4, b. La barrière de potentiel est remplacée par une colline se transformant en plateau, et les électrons sont remplacés par des boules situées au pied. Pour que les balles roulent sur le toboggan, elles doivent avoir une certaine énergie cinétique, en fonction de la hauteur h. S'il n'y a pas assez d'énergie, les balles reculent. Par analogie avec le mouvement des électrons dans le vide, on pense que les billes roulent sans friction. Pour une transition pratique vers une telle analogie mécanique, le potentiel négatif de la figure 5.4 est mis vers le haut.

Le travail d'extraction varie selon les métaux et s'élève à plusieurs électrons-volts. Plus il est grand, plus il est difficile d'obtenir une émission électronique. Les métaux ayant de grandes distances interatomiques ont un travail de sortie inférieur. Ceux-ci comprennent les métaux alcalins et alcalino-terreux, tels que le césium, le baryum et le calcium.

Une étude du phénomène d'émission d'électrons a montré que les impuretés d'autres substances sur la surface métallique ont un effet significatif sur la fonction de travail.

Si à la surface du métal de base se trouvent des atomes de substances qui donnent des électrons à ce métal, alors une augmentation de l'émission est observée. De telles substances sont appelées activation. Leur influence s'explique par le fait que les atomes qui ont donné des électrons au métal de base se transforment en ions positifs et forment une double couche électrique à la surface du métal (Fig. 5.5).

Figure 5.5. Champ électrique entre le métal et le positif

ions de la substance activatrice

Le champ électrique de cette couche accélère pour les électrons qui tentent de s'échapper du métal, et le travail de sortie diminue. Le plus petit travail de sortie est obtenu lorsque les ions d'impuretés positifs sont disposés dans une seule couche atomique..

Le champ entre le film de la substance activante et le métal de base est similaire au champ dans un condensateur à plaques en forme de treillis métalliques (réseaux). Dans un condensateur, le champ n'existe qu'entre les plaques, et si un électron entre dans ce champ par le trou de la plaque chargée négativement, il s'envolera à une vitesse accrue à travers le trou de la plaque chargée positivement.

Les atomes de certaines substances, au contact d'un métal, lui enlèvent des électrons et se transforment en ions négatifs. Une couche de ces atomes sur la surface métallique empêche l’émission d’électrons. Un champ apparaît entre ces atomes et le métal de base, inhibant les électrons émis, et le travail de sortie augmente.

Par exemple, les atomes d'oxygène à la surface du tungstène augmentent le rendement à 9,2. VE. On dit que le métal réduit son émissivité en raison d’un « empoisonnement » à l’oxygène. Lors de la construction de cathodes, des couches d'activation sont généralement créées sur la surface du métal de base, réduisant ainsi le travail de travail, et des mesures sont prises pour garantir que la surface de la cathode n'est pas « empoisonnée » par des atomes d'oxygène.

Il est également possible de réduire le travail d'extraction en recouvrant les surfaces métalliques de couches d'oxydes de métaux alcalins et alcalino-terreux appelés oxydes. Ensuite, le travail de sortie est encore moindre que dans le cas des films monoatomiques.

Objet des travaux : construction et étude des caractéristiques courant-tension de la diode ; étude de la dépendance de la densité du courant de saturation lors de l'émission thermique sur la température cathodique ; détermination du travail de sortie d'un électron à partir du tungstène.

INTRODUCTION

Les porteurs de courant dans les métaux sont des électrons libres, c'est-à-dire électrons faiblement liés aux ions du réseau cristallin métallique. Les électrons libres à température ambiante ne quittent pratiquement pas le métal. Cela s'explique par le fait qu'il existe dans la couche superficielle du métal un champ électrique retardateur qui empêche l'électron de quitter le métal. Le travail nécessaire pour retirer un électron d'un métal est appelé travail UN.

Les électrons, quittant le métal, s'en éloignent à des distances de l'ordre de la taille atomique et créent un « nuage d'électrons » au-dessus de la surface du métal. Ce nuage, avec la couche externe d'ions positifs du réseau et les charges positives induites par l'émission d'électrons, forme une double couche électrique dont le champ est similaire à celui d'un condensateur plat. . Ce champ empêche la fuite ultérieure des électrons libres du métal. L'épaisseur de cette couche électrique est de (10 -10 – 10 -9) m Ainsi, lorsqu'un électron quitte le métal, il doit vaincre le champ électrique de la double couche qui le retient.

Différence potentielle DJ dans cette couche, appelé saut de potentiel de surface, est déterminé par la fonction de travail UN électron du métal :

Où e – la charge électronique. La fonction de travail est généralement mesurée en électron-volts ( eV ): 1 eV égal au travail effectué par les forces de champ lorsqu'un électron traverse une différence de potentiel 1 V. Ainsi: 1 eV = 1,6 × 10 -19 J. Le travail de travail dépend de la nature chimique des métaux, de la propreté de leur surface et a des valeurs de plusieurs électrons-volts.

Si les électrons du métal reçoivent l'énergie nécessaire pour vaincre le champ électrique de la double couche qui le retarde, c'est-à-dire énergie égale en valeur à la fonction de travail, alors certains des électrons quitteront le métal, c'est-à-dire On observe le phénomène d'émission d'électrons à partir d'un métal - émission d'électrons.

L'émission thermoionique est l'émission d'électrons provenant de métaux chauffés. À mesure que la température augmente, le nombre d’électrons quittant le métal augmente. L'étude des lois de l'émission thermoionique peut être réalisée à l'aide du tube électronique à deux électrodes le plus simple - une diode à vide, qui est un cylindre sous vide contenant deux électrodes : une cathode À et anode UN . La cathode est généralement un filament de tungstène. Si la diode est connectée au circuit (voir Fig. 1), alors lorsque la cathode est chauffée et qu'une tension positive est appliquée à l'anode, un courant apparaît dans le circuit anodique de la diode.

La cathode est chauffée par le courant généré par la batterie à incandescence BN, La température de la cathode peut être modifiée en ajustant à l'aide d'un rhéostat RH intensité du courant de filament. Les électrodes sont alimentées en tension par la batterie anodique BA. cette tension peut être modifiée à l'aide d'un potentiomètre P. et mesure avec un voltmètre V. La force du courant anodique est mesurée avec un milliampèremètre mA.

À courant de filament cathodique constant, la courbe de dépendance du courant anodique sur la tension anodique a la forme représentée sur la Fig. 2.

Cette courbe est appelée caractéristique courant-tension de la diode. Différentes courbes correspondent à différentes températures cathodiques. Considérons les traits caractéristiques des courbes. À = 0 un faible courant circule dans le circuit, déterminé par le nombre d'électrons atteignant l'anode. Pour rendre un courant égal à 0 , il est nécessaire d'appliquer une tension négative entre la cathode et l'anode.

De la fig. 2, on peut voir que la loi d’Ohm pour une diode à vide n’est pas satisfaite. La section initiale de la courbe suit assez bien la loi de Langmuir et Boguslavsky théoriquement obtenue trois secondes, selon lequel la force du courant anodique change proportionnellement. Avec une augmentation, de plus en plus d'électrons atteignent l'anode ; à une certaine valeur, tous les électrons émis par la cathode atteignent l'anode - le courant cesse de croître, c'est-à-dire qu'une saturation se produit. Le courant thermoionique maximum possible à une température cathodique donnée est appelé courant de saturation - Je suis un nous.

À mesure que la température augmente, la vitesse du mouvement chaotique des électrons dans le métal augmente, de sorte que le nombre d'électrons capables de quitter le métal augmente fortement. La densité de courant de saturation, c'est-à-dire le courant de saturation par unité de surface anode-cathode, est calculée à l'aide de la formule de Richardson-Deshman :

, (2)

Où DANS – émission constante ; k =1,38 ×10 -23 J/K – Constante de Boltzmann.

DESCRIPTION DE L'INSTALLATION DU LABORATOIRE ET DE LA MÉTHODE DE MESURE

Le circuit électrique pour réaliser l’expérience est représenté sur la figure. 3.

Ici IP - alimentation électrique ; FPE-06/05 – une cassette avec un circuit électrique assemblé (voir Fig. 1) ; PV - voltmètre pour mesurer la tension du filament ; V Et UN - voltmètre et ampèremètre sur le panneau d'alimentation, le voltmètre mesure la tension anodique , ampèremètre - courant de filament Je suis nu; RA - milliampèremètre pour mesurer le courant anodique je un .

En mesurant expérimentalement la dépendance du courant de saturation à la température, il est possible de déterminer le travail de sortie pour une cathode donnée. Dans ce travail, pour déterminer la fonction d'extraction, la méthode de la ligne droite de Richardson est utilisée, qui est la suivante. Prenons le logarithme de la formule (2) :

(3)

Le graphique de la fonction (3) est une droite dont la pente est égale à : tga = A sortie / k. De là, vous pouvez trouver la fonction de travail :

. (4)

Pour tracer le graphique, vous devez connaître la densité du courant de saturation de l'anode j'nous et température cathodique T. La température est calculée comme suit. L'énergie fournie à la cathode est principalement consacrée au rayonnement thermique. Pour le tungstène, la dépendance de la température cathodique a été déterminée expérimentalement T de la puissance dépensée pour le chauffer par unité de surface de la surface cathodique R/Sk.

T, K

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 R/Sk,

W/cm2

Cette dépendance est illustrée sur la Fig. 4. A partir de ce graphique, connaissant la puissance fournie à la cathode, vous pouvez déterminer sa température.

PROCÉDURE D'EXÉCUTION DES TRAVAUX

1. Connectez la cassette FPE-06 câble de connexion à l'alimentation IP (voir fig. 3). Valeur maximale du courant de filament je suis nue, mesuré par l'ampèremètre sur le panneau d'alimentation ne doit pas dépasser 2.2A. Tension des filaments mesuré par voltmètre photovoltaïque, qui se connecte aux bornes où la tension est indiquée 2,5 à 4,5 V . La tension de l'anode se règle à l'aide d'un bouton sur le panneau d'alimentation situé sous le voltmètre. V . Pour mesurer le courant anodique je un ampèremètre utilisé RA, qui se connecte à la cassette FPE-06. Il doit fonctionner en mode milliampèremètre, mesurant le courant jusqu'à 20 mA.

Régler la tension du filament = 3,7 V, enregistrer la valeur du courant du filament je suis nue, et, en augmentant la tension anodique de 10 à 100 V à travers 10 V, mesurer les valeurs du courant d'anode Je A.

2. Effectuez des mesures similaires pour la tension du filament dans la plage 3,7 à 4,2 V, le changer à travers 0,1 V, tout en fixant les valeurs de courant du filament. Entrez les données de mesure dans le tableau 1.

3. Pour chaque valeur du courant de filament, construire une caractéristique courant-tension ; le point d'inflexion sur les courbes résultantes est considéré comme le point de saturation. Connaissant l'échelle du graphique, déterminer le courant de saturation Je H .

4. Pour toutes les valeurs de tension du filament, calculez à l'aide de la formule P = I H U H la puissance libérée à la cathode, ainsi que la puissance par unité de surface de la cathode. Considérons que la surface de la cathode est égale à SK =3,52 ×10 -2 cm2.

5. Selon le planning (voir Fig. 4), connaissant les valeurs R/S à, déterminer la température cathodique pour chaque valeur de puissance libérée à la cathode.

Tableau 1

6. Calculez la densité de courant de saturation de l'anode à l'aide de la formule : , accepter S=11×10 -6 m2.

7. Entrez toutes les données reçues dans le tableau 2.

Tableau 2

8. Construire un graphique de dépendance .

9. Déterminez la tangente de l'angle d'inclinaison de la droite à l'axe des abscisses et calculez la fonction d'extraction à l'aide de la formule (4). Convertissez la valeur résultante en eV.

VÉRIFIER LES QUESTIONS POUR L'AUTORISATION DE TRAVAILLER

1. Dessinez un diagramme schématique de l’installation du laboratoire et expliquez l’utilisation des instruments.

2. Expliquer la procédure d'exécution du travail et la méthodologie de prise de lecture des instruments de mesure.

3. Qu'est-ce qu'une diode à vide ?

4. Quelle dépendance est appelée la caractéristique courant-tension d'une diode ?

5. Quelle est la nature des forces qui empêchent les électrons de quitter le métal ?

6. Comment convertir l’unité d’énergie exprimée en joules en électron-volts ?

7. Comment la densité du courant de saturation anodique est-elle déterminée dans le travail ?

8. Comment la température du filament de la cathode est-elle déterminée en fonctionnement ?

9. Expliquez comment le travail calcule l'erreur de mesure absolue et relative.

QUESTIONS DE TEST POUR RÉUSSIR LE TRAVAIL

1. Quel est le travail de sortie d’un électron quittant un métal ?

2. Qu’appelle-t-on émission thermoionique ?

3. Expliquez comment une double couche électrique se forme autour de la surface d'un métal. Quelle est son épaisseur ?

4. Dessinez un circuit électrique pour obtenir la caractéristique courant-tension de la diode.

5. Comment prouver que des particules chargées négativement - des électrons - s'envolent hors de la cathode lors de l'émission thermoionique ?

6. Dessinez les caractéristiques courant-tension de la diode à différentes températures.

7. Qu'est-ce que le courant de saturation ? Comment le courant de saturation est-il obtenu ?

8. Pourquoi le courant de saturation dépend-il de la température ?

Comme le montre l'expérience, les électrons libres aux températures ordinaires ne quittent pratiquement pas le métal. Par conséquent, il doit y avoir un champ électrique retardateur dans la couche superficielle du métal, empêchant les électrons de s’échapper du métal dans le vide environnant. Le travail nécessaire pour retirer un électron d’un métal dans le vide est appelé fonction de travail. Indiquons deux raisons probables de l'apparition de la fonction travail :

1. Si un électron est retiré d'un métal pour une raison quelconque, une charge positive en excès apparaît à l'endroit où l'électron est parti et l'électron est attiré par la charge positive induite par lui-même.

2. Les électrons individuels, quittant le métal, s'en éloignent à des distances de l'ordre atomique et créent ainsi un « nuage d'électrons » au-dessus de la surface du métal, dont la densité diminue rapidement avec la distance. Ce nuage, avec la couche externe d'ions positifs du réseau, forme double couche électrique, dont le champ est similaire à celui d'un condensateur à plaques parallèles. L'épaisseur de cette couche est égale à plusieurs distances interatomiques (10 -10 - 10 -9 m). Il ne crée pas de champ électrique dans l’espace extérieur, mais empêche les électrons libres de s’échapper du métal.

Ainsi, lorsqu’un électron quitte le métal, il doit vaincre le champ électrique de la double couche qui le retarde. La différence de potentiel  dans cette couche, appelée saut de potentiel de surface, déterminé par la fonction de travail (UN)électron du métal :

Où e- la charge électronique. Puisqu'il n'y a pas de champ électrique à l'extérieur de la double couche, le potentiel du milieu est nul et à l'intérieur du métal le potentiel est positif et égal à . L'énergie potentielle d'un électron libre à l'intérieur d'un métal est égale à - e et est négative par rapport au vide. Sur cette base, vous pouvez

La fonction de travail s'exprime en électron-volt(eV) : 1 eV est égal au travail effectué par les forces de champ lors du déplacement d'une charge électrique élémentaire (une charge égale à la charge d'un électron) lorsqu'elle traverse une différence de potentiel de 1 V. Puisque la charge d'un électron est 1,6 l0 -19 C, alors 1 eV = 1,6 10 -1 9 J.

Le travail de sortie dépend de la nature chimique des métaux et de la propreté de leur surface et varie de quelques électrons-volts (par exemple, pour le potassium A = 2,2 eV, pour le platine A = 6,3 eV). En choisissant le revêtement de surface d'une certaine manière, vous pouvez réduire considérablement le rendement du travail. Par exemple, si vous appliquez du tungstène sur la surface (UN=4,5 eV) couche d'oxyde de métal alcalino-terreux (Ca, Sr, Ba), alors le travail d'extraction est réduit à 2 eV.

§ 105. Phénomènes d'émission et leur application

Si nous fournissons aux électrons des métaux l’énergie nécessaire pour surmonter le travail de travail, alors certains des électrons peuvent quitter le métal, entraînant le phénomène d’émission d’électrons, ou émission électronique. Selon la méthode de transmission de l'énergie aux électrons, on distingue les émissions thermoioniques, photoélectroniques, d'électrons secondaires et de champ.

1. Émission thermoionique - Il s'agit de l'émission d'électrons par les métaux chauffés. La concentration d'électrons libres dans les métaux est assez élevée, donc même à des températures moyennes, en raison de la distribution des vitesses des électrons (énergie), certains électrons ont suffisamment d'énergie pour surmonter la barrière de potentiel à la limite du métal. Avec l'augmentation de la température, le nombre d'électrons dont l'énergie cinétique de mouvement thermique est supérieure au travail de travail augmente et le phénomène d'émission thermoionique devient perceptible.

L'étude des lois de l'émission thermoionique peut être réalisée à l'aide de la lampe à deux électrodes la plus simple - diode à vide, qui est un cylindre sous vide contenant deux électrodes : une cathode À et anode UN. Dans le cas le plus simple, la cathode est un filament constitué d'un métal réfractaire (par exemple du tungstène), chauffé par un courant électrique. L'anode prend le plus souvent la forme d'un cylindre métallique entourant la cathode. Si la diode est connectée au circuit, comme le montre la Fig. 152, puis lorsque la cathode est chauffée et qu'une tension positive est appliquée à l'anode (par rapport à la cathode), un courant apparaît dans le circuit anodique de la diode. Si vous changez la polarité de la batterie B a, le courant s'arrête, quelle que soit la température de la cathode. Par conséquent, la cathode émet des particules négatives - des électrons.

Si nous maintenons constante la température de la cathode chauffée et supprimons la dépendance du courant anodique je et de la tension anodique U un- caractéristique courant-tension(Fig. 153), il s'avère que ce n'est pas linéaire, c'est-à-dire que pour une diode à vide, la loi d'Ohm n'est pas satisfaite. Dépendance du courant thermoionique je de la tension anodique dans la région des petites

valeurs positives U décrit loi des trois secondes(créé par le physicien russe S. A. Boguslavsky (1883-1923) et le physicien américain I. Langmuir (1881 - 1957)) :

je=B.U. 3/2 ,

Où DANS - coefficient dépendant de la forme et de la taille des électrodes, ainsi que de leur position relative.

À mesure que la tension anodique augmente, le courant augmente jusqu'à une certaine valeur maximale Ius, appelée courant de saturation. Cela signifie que presque tous les électrons quittant la cathode atteignent l’anode, donc une augmentation supplémentaire de l’intensité du champ ne peut pas entraîner une augmentation du courant thermoionique. Par conséquent, la densité de courant de saturation caractérise l’émissivité du matériau cathodique.

La densité du courant de saturation est déterminée Richardson-formule Deshman, dérivé théoriquement sur la base de statistiques quantiques :

j us =CT 2 e -A/(kT) .

Où UN - travail des électrons sortant de la cathode, T- température thermodynamique, AVEC- constante, théoriquement la même pour tous les métaux (ceci n'est pas confirmé par l'expérience, qui s'explique apparemment par des effets de surface). Une diminution du travail de sortie entraîne une forte augmentation de la densité du courant de saturation. Par conséquent, des cathodes d'oxyde sont utilisées (par exemple, du nickel recouvert d'un oxyde de métal alcalino-terreux), dont le travail de sortie est de 1 à 1,5 eV.

Sur la fig. 153 montre les caractéristiques courant-tension pour deux températures cathodiques : T 1 Et T 2 , et T 2 >T 1 . À mesure que la température de la cathode augmente, l’émission d’électrons de la cathode devient plus intense et le courant de saturation augmente également. À U a =0, ​​​​un courant anodique est observé, c'est-à-dire que certains électrons émis par la cathode ont suffisamment d'énergie pour surmonter le travail de sortie et atteindre l'anode sans appliquer de champ électrique.

Le phénomène d'émission thermoionique est utilisé dans les dispositifs dans lesquels il est nécessaire d'obtenir un flux d'électrons sous vide, par exemple dans les tubes à vide, les tubes à rayons X, les microscopes électroniques, etc. Les tubes électroniques sont largement utilisés en génie électrique et radio. , automatisation et télémécanique pour redresser les courants alternatifs, amplifier les signaux électriques et les courants alternatifs, générer des oscillations électromagnétiques, etc. Selon le but, des électrodes de commande supplémentaires sont utilisées dans les lampes.

2. Émission photoélectronique - Il s'agit de l'émission d'électrons d'un métal sous l'influence de la lumière, ainsi que d'un rayonnement électromagnétique à ondes courtes (par exemple les rayons X). Les grands principes de ce phénomène seront discutés en considérant l’effet photoélectrique.

3. Émission d'électrons secondaires - Il s'agit de l'émission d'électrons depuis la surface de métaux, de semi-conducteurs ou de diélectriques lorsqu'ils sont bombardés par un faisceau d'électrons. Le flux d'électrons secondaires est constitué d'électrons réfléchis par la surface (électrons réfléchis de manière élastique et inélastique) et de « vrais » électrons secondaires - des électrons expulsés du métal, du semi-conducteur ou du diélectrique par les électrons primaires.

Rapport du nombre d'électrons secondaires n 2 au numéro de primaire n 1 , provoquant l'émission est appelé coefficient d'émission d'électrons secondaires :

=n 2 / n 1 .

Le coefficient b dépend de la nature du matériau de surface, de l'énergie des particules bombardantes et de leur angle d'incidence sur la surface. Les semi-conducteurs et les diélectriques contiennent plus de b que les métaux. Cela s'explique par le fait que dans les métaux où la concentration d'électrons de conduction est élevée, les électrons secondaires, souvent en collision avec eux, perdent leur énergie et ne peuvent pas quitter le métal. Dans les semi-conducteurs et les diélectriques, en raison de la faible concentration d'électrons de conduction, les collisions d'électrons secondaires avec eux se produisent beaucoup moins fréquemment et la probabilité que des électrons secondaires quittent l'émetteur augmente plusieurs fois.

Par exemple sur la Fig. 154 montre la dépendance qualitative du coefficient d'émission d'électrons secondaires b sur l'énergie Eélectrons incidents pour KCl. Avec l'augmentation de l'énergie électronique, b augmente, car les électrons primaires pénètrent plus profondément dans le réseau cristallin et éliminent donc davantage d'électrons secondaires. Cependant, à partir d'une certaine énergie, les électrons primaires 6 commencent à diminuer. Cela est dû au fait qu’à mesure que la profondeur de pénétration des électrons primaires augmente, il devient de plus en plus difficile pour les électrons secondaires de s’échapper vers la surface. La valeur de max pour KCl atteint 12 (pour les métaux purs, elle ne dépasse pas 2).

Le phénomène d’émission d’électrons secondaires est utilisé dans tubes photomultiplicateurs(PMT), utilisé pour amplifier les courants électriques faibles. Le photomultiplicateur est un tube à vide avec une photocathode K et une anode A, entre lesquelles se trouvent plusieurs électrodes - émetteurs(Fig. 155). Les électrons éjectés de la photocathode sous l'influence de la lumière pénètrent dans l'émetteur E 1 en passant par la différence de potentiel accélératrice entre K et E 1. Les électrons  sont expulsés de l'émetteur E 1. Renforcé de cette façon

le flux d'électrons est dirigé vers l'émetteur E2 et le processus de multiplication est répété sur tous les émetteurs suivants. Si le PMT contient n émetteurs, puis à l'anode A, appelée collectionneur, Le résultat est un courant photoélectronique amplifié 6 fois.

4. Émissions autoélectroniques - Il s'agit de l'émission d'électrons depuis la surface des métaux sous l'influence d'un fort champ électrique externe. Ces phénomènes peuvent être observés dans un tube sous vide dont la configuration des électrodes (cathode - pointe, anode - surface interne du tube) permet, à des tensions d'environ 10 3 V, d'obtenir des champs électriques d'une intensité d'environ 10 7 V/m. Avec une augmentation progressive de la tension, déjà à une intensité de champ à la surface de la cathode d'environ 10 5 -10 6 V/m, un faible courant apparaît en raison des électrons émis par la cathode. L'intensité de ce courant augmente avec l'augmentation de la tension aux bornes du tube. Les courants apparaissent lorsque la cathode est froide, c'est pourquoi le phénomène décrit est également appelé émission de froid. Une explication du mécanisme de ce phénomène n’est possible que sur la base de la théorie quantique.

Les électrons de conduction dans un métal sont en mouvement aléatoire. Les électrons qui se déplacent le plus rapidement et qui possèdent une énergie cinétique suffisamment importante peuvent s'échapper du métal vers l'espace environnant. En même temps, ils agissent à la fois contre les forces attractives de la charge positive excessive résultant de leur émission dans le métal, et contre les forces répulsives des électrons précédemment émis, formant un « nuage » d'électrons près de la surface de le conducteur. Un équilibre dynamique s’établit entre le gaz électronique présent dans le métal et le « nuage » électronique. Le travail qui doit être effectué pour retirer un électron d’un métal dans le vide est appelé fonction de travail. Il est égal à , où e est la charge électronique et le potentiel de sortie. Le travail de travail est produit par les électrons - en raison d'une diminution de leur énergie cinétique. Il est donc clair que les électrons qui se déplacent lentement ne peuvent pas s’échapper du métal. La fonction de travail dépend de la nature chimique du métal et de l'état de sa surface ; les traces d'humidité, etc. modifient sa valeur. Pour les métaux purs, le travail d’extraction varie de quelques électrons-volts. Un électron de conduction peut s'envoler de n'importe quel métal si son énergie dépasse le travail de sortie A de l'électron du métal. Le phénomène d’émission d’électrons par des métaux chauffés est appelé émission thermoionique.

La concentration d'électrons de conduction dans le métal est très élevée ; leurs vitesses thermiques à une température donnée sont différentes et réparties, selon des concepts classiques, conformément à la loi de Maxwell. Cela signifie que même à des températures moyennes, le métal contient un nombre suffisamment important d'électrons de conduction capables d'effectuer le travail de travail et de s'envoler du métal. Dans ce cas, le travail de sortie est égal à la diminution de l'énergie cinétique

où m, e sont respectivement la masse et la charge de l’électron et les vitesses de l’électron avant et après avoir quitté le métal. Aux températures ordinaires, le nombre d’électrons ayant une vitesse suffisante pour s’échapper est très faible. Il existe plusieurs manières de conférer aux électrons l'énergie supplémentaire nécessaire pour les éliminer du métal : chauffer le conducteur (émission thermoionique) ; irradiation de métaux avec de la lumière visible et ultraviolette (émission photoélectronique) ; exposition à un champ électrique externe accélérateur (émission de champ ou émission froide) ; bombardement d'un métal avec des électrons ou des ions.

Afin d'obtenir un flux d'électrons important, ce que l'on appelle l'émetteur est chauffé à des températures de l'ordre de 2000÷2500 K.

Pour étudier l'émission thermoionique, vous pouvez utiliser un dispositif composé de deux électrodes - l'anode A et la cathode K, placées sous vide (Fig. 18.1). La cathode est réalisée sous la forme d'un fil, l'anode - sous la forme d'un cylindre coaxial. La cathode, qui est une source d'électrons, est chauffée à l'aide d'une batterie à incandescence spéciale Bn.

La batterie anodique Ba sert à créer un champ électrique Evn entre la cathode et l'anode. Lorsque le filament est chauffé, un nuage d’électrons apparaît, porteur d’une charge négative. À la suite de l'allumage de l'anode Ba de la batterie, le flux d'électrons commence à se déplacer entre la cathode et l'anode, c'est-à-dire Le courant électrique commence à circuler dans le circuit. L'intensité du courant dépend de la température du filament,

la tension Ua créée par la batterie anodique, le matériau de la cathode et la géométrie des électrodes. La dépendance du courant anodique enregistré par le galvanomètre G sur la tension anodique I=f(Ua) est appelée caractéristique courant-tension de l'installation.

Cette caractéristique peut être supprimée expérimentalement en maintenant constante la tension du filament et en modifiant la tension Ua (Fig. 18.2). Trois domaines peuvent être distingués dans cette caractéristique courant-tension. La région I correspond au cas où une différence de potentiel retardatrice est appliquée aux électrodes (le pôle négatif de la batterie est connecté à l'anode), c'est-à-dire le champ E ralentit les électrons. Cependant, le courant circule toujours dans le circuit car certains des électrons s'échappant du filament chaud ont une énergie suffisante pour surmonter la différence de potentiel retardateur. Cette partie de la caractéristique courant-tension est appelée « courbe de retard ». En plus du champ électrique Evn créé par la batterie anodique, entre la cathode et l'anode le champ existant est dû à son apparition par les électrons volants. Les électrons se déplaçant de la cathode vers l'anode créent une certaine charge d'espace, ce qui provoque un champ électrique Eob qui ralentit les électrons lorsqu'ils quittent la cathode et les accélère lorsqu'ils s'approchent de l'anode. À mesure que la différence de potentiel Ua augmente, le champ E0b diminue. Par conséquent, un nombre croissant d’électrons atteindra l’anode et l’intensité du courant augmentera (région II).

A une certaine valeur de la différence de potentiel U a =U 0, le champ total E in + E environ à la cathode devient égal à zéro. Dans ce cas, tous les électrons s’échappant de la cathode à une température donnée atteindront l’anode. Par conséquent, une nouvelle augmentation de la tension Ua n’entraînera pas une augmentation du courant anodique I. L’intensité du courant deviendra constante (région III). Ce courant est appelé courant de saturation. L'intensité du courant de saturation, toutes choses égales par ailleurs, dépend de la température de l'émetteur. La dépendance de la densité de courant de saturation jH sur la température absolue T est décrite de manière satisfaisante par la formule de Richardson-Dashman.

(18.7)

où est le coefficient de réflexion moyen des électrons de la limite émetteur-vide, B est une constante dépendant du matériau de la cathode, A est le travail d'extraction des électrons, k est la constante de Boltzmann.