Didelis metalų elektrinis laidumas yra dėl to, kad juose yra daug laisvųjų elektronų, atsiskyrusių nuo atomų. Šie elektronai – laidumo elektronai – metale sudaro vadinamąsias elektronų dujas. Laisvieji elektronai patiria terminį judėjimą ir turi kinetinę energiją, tačiau jie išlieka metalo viduje dėl jų Kulono sąveikos su teigiamai įkrauta kristaline gardele. Kad elektronas paliktų metalą, prieš šias jėgas reikia dirbti, o tai vadinama darbo funkcija elektronų.

Yra dvi priežastys, lemiančios darbo funkcijos atsiradimą. Pirmasis yra toks. Kai elektronas bando palikti metalą, jo paviršiuje atsiranda indukuotas teigiamas krūvis (vadinamasis elektrostatinis veidrodis). Dėl to tarp elektrono ir metalo atsiranda traukos jėga, nukreipta į metalą, neleidžianti elektronui išeiti ir pasireikšti už kūno ribų (1 pav.). Darbas prieš traukos jėgą link teigiamai įkrauto kūno yra pagrindinė darbo funkcijos dalis. Ši darbo funkcijos dalis yra panaši į atomų ar molekulių jonizacijos energiją.

Be to, tai prisideda prie darbo funkcijos, susijusios su dvigubo elektrinio sluoksnio buvimu bet kurio kūno paviršiaus srityje (2 pav.). Jis atsiranda net ant visiškai taisyklingo ir švaraus kristalo paviršiaus. Atskiri elektronai nuolat palieka metalo paviršių, nutolsta nuo jo keliais tarpatominiais atstumais, o tada sustoja veikiami nekompensuoto teigiamai įkrautų jonų krūvio ir pasisuka atgal. Dėl to metalas atsiduria plono elektronų debesies apsuptyje (2 pav.).

Dvigubo sluoksnio storis yra kelių tarpatominių atstumų eilės tvarka (10 -10 h10 -9 m). Dėl dvigubo sluoksnio elektrinio lauko į kristalą nukreiptus elektronus veikia jėga. Darbas įveikti jėgą, veikiančią dėl dvigubo sluoksnio elektrinio lauko ties kūno riba, yra antrasis darbo funkcijos komponentas. Už kristalo ribų esančios dvigubo sluoksnio srities elektronus veikia tik Kulono jėga, kuri buvo aptarta aukščiau.

Per paviršių patenkant į vakuumą, elektronų potencialas tam tikru dydžiu padidėja, palyginti su potencialu metalo viduje. ts, kuris vadinamas paviršiaus potencialų skirtumu. Su darbo funkcija jis susijęs taip:

Kur e - elektronų krūvio modulis. Darbo funkcija paprastai išreiškiama elektronvoltais (eV):

1 eV = 1,6·10-19 džaulių.

Norint pašalinti elektroną iš metalo tūrio už jo ribų, elektrono kinetinė energija turi viršyti darbo funkciją.

Kur m- elektronų masė, v- jo greitis. Įvykdžius sąlygą (2), stebimas elektronų emisijos reiškinys, t.y. elektronų emisija nuo metalinio paviršiaus. Norint stebėti elektronų emisiją, būtina elektronams perduoti energiją.

Priklausomai nuo energijos perdavimo būdo, išskiriami keturi emisijų tipai:

• 1. Termioninė emisija- įkaitintų metalų elektronų emisija. Kylant temperatūrai, staigiai didėja elektronų skaičius, kurių šiluminio judėjimo kinetinė energija yra didesnė už darbo funkciją, o termioninės emisijos reiškinys tampa labiau pastebimas.
• 2. Fotoelektronų emisija. Elektronų emisija iš metalo veikiant spinduliuotei. Šiuo atveju elektronas gauna papildomos energijos dėl fotono energijos:

Kur h, - Planko konstanta, n- krintančios spinduliuotės dažnis.

• 3, Antrinė elektronų emisija – elektronų emisija, kai paviršius iš išorės bombarduojamas elektronų ar kitų dalelių pluoštu.
• 4. Lauko emisija – elektronų emisija nuo metalo paviršiaus, veikiant stipriam išoriniam elektriniam laukui.

Įvairiuose elektroniniuose įrenginiuose naudojamos visų tipų emisijos, tačiau dažniausiai naudojama labiausiai kontroliuojama termoelektroninė emisija.

Darbo funkcija yra kūno paviršiaus charakteristika. To paties kristalo paviršiai, suformuoti skirtingomis kristalografinėmis plokštumomis arba padengti skirtingomis medžiagomis, atlieka skirtingas darbo funkcijas. Pavyzdžiui, siekiant sumažinti darbo funkciją, volframo paviršius padengiamas plonu torio, cezio, bario arba tam tikrų metalų oksidų sluoksniu (aktyvuotais katodais). Sluoksnio storis yra kelios dešimtys tūkstančių tarpatominių atstumų.

Elektronų emisija iš metalo

Esant normaliai temperatūrai, elektronų energijos nepakanka, kad jie išeitų iš kūno. Norint gauti elektronų emisiją, būtina elektronams suteikti papildomos energijos.

Emisijos trūkumas esant normaliai temperatūrai paaiškinamas tuo dvi priežastys .

Pirma yra tai, kad elektronai turi didžiausią energiją ( W 0 ar daugiau), atsitiktiniu judesiu priartėja prie metalo paviršiaus, tačiau juos atgal pritraukia teigiami erdvinės gardelės jonai. Ant paviršiaus susidaro „elektroninė plėvelė“ (5.3 pav., A). Žinoma, jis nėra „užšaldytas“, bet yra dinaminėje pusiausvyroje. Į šią „plėvelę“ patenka nauji elektronai, o anksčiau patekę į ją grįžta į metalo gelmes.

Tarp elektronų plėvelės ir teigiamų jonų susidaro elektrinis laukas, kuris sulėtina elektronus, bandančius išeiti iš kūno (5.3 pav., b). Jie sako, kad ant metalo paviršiaus susidaro elektrinis dvigubas sluoksnis (elektronų sluoksnis virš jonų sluoksnio). Kad praeitų per šį sluoksnį, elektronas turi turėti daugiau energijos W 0 .

5.3 pav. Elektroninė plėvelė (a) ir elektrinis dvigubo sluoksnio (b) elektrinis laukas

Antra priežastis, neleidžiantis elektronams ištrūkti, slypi tame, kad metalas, neturintis kai kurių elektronų, tampa teigiamai įkrautas. Tarp jo ir skleidžiamų elektronų atsiranda elektrinis laukas, kurio įtakoje elektronai vėl pritraukiami prie metalo. Šios traukos stiprumas greitai mažėja, kai elektronas tolsta nuo metalo paviršiaus. Jis gali būti laikomas lygiu nuliui, kai elektronas nutolsta nuo metalo paviršiaus į kelis tarpatominius atstumus.

Taigi, Kad nuskristų į vakuumą ir nesusirištų su metalu, elektronas, be energijos W 0, turi turėti energijos, reikalingos metalo atvirkštinės traukos jėgai įveikti.

Energija, kuri turi būti suteikta elektronui, kad jis išeitų iš metalo, be maksimalios energijos W 0, kuri yra absoliučioje nulinėje temperatūroje, vadinama efektyvia darbo funkcija arba tiesiog darbo funkcija.(W išeina).

Bendras elektrono atliktas darbas paliekant metalą lygus W 0 + W išeiti Ji kartais vadinama visa darbo funkcija, ir kiekius W 0 ir W atitinkamai išvesti vidinė ir išorinė darbo funkcija.

Darbas, atliktas norint perkelti elektros krūvį, padalintas iš krūvio dydžio, yra lygus potencialų skirtumui, per kurį krūvis praeina. Jei darbas W 0 + W padalintas iš elektrono krūvio e, tada jūs gaunate tam tikrą potencialų skirtumą.

Kadangi elektronas eikvoja energiją palikdamas metalą, potencialas vakuume yra neigiamas metalo atžvilgiu. Laikydami metalo potencialą nuliu, galime parašyti, kad potencialas φ vakuume šalia metalo paviršiaus yra lygus:

čia φ 0 – potencialas ties elektronų plėvelės ir vakuumo riba;

φout – potencialas, atitinkantis darbo funkciją.

5.4 pav. A parodytas potencialo kitimo grafikas pereinant iš metalo į vakuumą. Vertikalus yra neigiamas potencialas φ, horizontalus - atstumas X. Ties metalo ir vakuumo riba gaunamas elektronų potencialo „šuolis“ arba „potencialo barjeras“. Elektronų plėvelėje potencialas didėja neigiama kryptimi φ 0, o tada vakuume jis dar padidėja φ out. Bendras barjero „aukštis“ yra φ 0 + φ out. D la Kad įveiktų barjerą, elektrono energija turi būti ne mažesnė kaip W 0 + W išeinančių elektronų voltų arba „greitis“ yra ne mažesnis kaip φ 0 + φ išėjimo voltai.

5.4 pav. Potencialus barjeras metalo ir vakuumo sąsajoje (a)

ir jo mechaninė analogija (b)

Vizualus mechaninis elektronų išeigos modelis parodytas 5.4 pav., b. Potencialų barjerą pakeičia kalva, virsta plokščiakalniu, o elektronus pakeičia papėdėje esantys rutuliai. Tam, kad rutuliukai susivyniotų čiuožyklą, jie turi turėti tam tikrą kinetinę energiją, kuri priklauso nuo aukščio h. Jei energijos nepakanka, rutuliukai ridenami atgal. Pagal analogiją su elektronų judėjimu vakuume, manoma, kad rutuliai rieda be trinties. Norint patogiai pereiti prie tokios mechaninės analogijos, neigiamas potencialas 5.4 pav. pakeltas aukštyn.

Darbo funkcija skirtingiems metalams skiriasi ir siekia keletą elektronų voltų. Kuo jis didesnis, tuo sunkiau gauti elektroninę emisiją. Metalai su dideliais tarpatominiais atstumais turi mažesnę darbo funkciją. Tai apima šarminius ir šarminius žemės metalus, tokius kaip cezis, baris ir kalcis.

Elektronų emisijos reiškinio tyrimas parodė, kad kitų medžiagų priemaišos ant metalinio paviršiaus turi didelę įtaką darbo funkcijai.

Jei netauriojo metalo paviršiuje yra medžiagų atomų, kurie šiam metalui atiduoda elektronus, tada stebimas emisijos padidėjimas. Tokios medžiagos vadinamos aktyvuojantis. Jų įtaka aiškinama tuo, kad atomai, paaukoję kai kuriuos elektronus netauriajam metalui, virsta teigiamais jonais ir metalo paviršiuje sudaro dvigubą elektrinį sluoksnį (5.5 pav.).

5.5 pav. Elektrinis laukas tarp metalo ir teigiamo

aktyvinančios medžiagos jonai

Šio sluoksnio elektrinis laukas spartėja elektronams, bandantiems ištrūkti iš metalo, mažėja darbo funkcija. Mažiausia darbo funkcija gaunama, kai teigiamų priemaišų jonai yra išsidėstę viename atominiame sluoksnyje.

Laukas tarp aktyvinančios medžiagos plėvelės ir netauriojo metalo yra panašus į lauką kondensatoriuje su plokštelėmis metalinių tinklelių (grotelių) pavidalu. Kondensatoriuje laukas egzistuoja tik tarp plokščių, o jei elektronas patenka į šį lauką per skylę neigiamai įkrautoje plokštelėje, jis padidintu greičiu išskris pro skylę teigiamai įkrautoje plokštelėje.

Kai kurių medžiagų atomai, kontaktuodami su metalu, atima iš jo elektronus ir virsta neigiamais jonais. Tokių atomų sluoksnis ant metalo paviršiaus neleidžia elektronų emisijai. Tarp šių atomų ir netauriojo metalo atsiranda laukas, slopinantis skleidžiamus elektronus, padidėja darbo funkcija.

Pavyzdžiui, deguonies atomai volframo paviršiuje padidina išeigą iki 9,2 EV. Jie sako, kad metalas sumažina savo emisiją dėl „apsinuodijimo“ deguonimi. Konstruojant katodus dažniausiai ant netauriojo metalo paviršiaus sukuriami aktyvuojantys sluoksniai, mažinantys darbo funkciją, imamasi priemonių, kad katodo paviršius nebūtų „apnuodytas“ deguonies atomais.

Taip pat galima sumažinti darbo funkciją metalinius paviršius padengiant šarminių ir šarminių žemių metalų oksidų, vadinamų oksidais, sluoksniais. Tada darbo funkcija dar mažesnė nei monatominių plėvelių atveju.

Darbo tikslas: diodo srovės-įtampos charakteristikų konstravimas ir tyrimas; soties srovės tankio šiluminės emisijos metu priklausomybės nuo katodo temperatūros tyrimas; elektrono darbo funkcijos nustatymas iš volframo.

ĮVADAS

Srovės nešėjai metaluose yra laisvieji elektronai, t.y. elektronai, silpnai susieti su metalo kristalinės gardelės jonais. Laisvieji elektronai kambario temperatūroje praktiškai nepalieka metalo. Tai paaiškinama tuo, kad metalo paviršiniame sluoksnyje yra lėtinantis elektrinis laukas, kuris neleidžia elektronui išeiti iš metalo. Darbas, reikalingas elektronui pašalinti iš metalo, vadinamas darbu A.

Elektronai, palikdami metalą, tolsta nuo jo atominių dydžių eilės atstumu ir virš metalo paviršiaus sukuria „elektronų debesį“. Šis debesis kartu su išoriniu gardelės teigiamų jonų sluoksniu ir dėl elektronų emisijos indukuotais teigiamais krūviais sudaro dvigubą elektrinį sluoksnį, kurio laukas panašus į plokščiojo kondensatoriaus lauką. . Šis laukas neleidžia tolesniam laisvųjų elektronų pabėgimui iš metalo. Šio elektrinio sluoksnio storis yra (10 -10 – 10 -9) m. Taigi, elektronui išeidamas iš metalo, jis turi įveikti jį sulaikančio dvigubo sluoksnio elektrinį lauką.

Potencialus skirtumas Dj šiame sluoksnyje, vadinamame paviršiaus potencialo šuoliu, lemia darbo funkcija A elektronas iš metalo:

Kur e – elektronų krūvis. Darbo funkcija paprastai matuojama elektronvoltais ( eV ): 1 eV lygus lauko jėgų atliekamam darbui, kai elektronas praeina per potencialų skirtumą 1 V. Taigi: 1 eV = 1,6 × 10 -19 J. Darbo funkcija priklauso nuo metalų cheminės prigimties, nuo jų paviršiaus švarumo ir yra kelių elektronų voltų vertės.

Jeigu metale esantiems elektronams suteikiama energija, reikalinga jį lėtinančio dvigubo sluoksnio elektriniam laukui įveikti, t.y. energijos, kurios vertė lygi darbo funkcijai, tada dalis elektronų paliks metalą, t.y. Stebimas elektronų emisijos iš metalo reiškinys – elektronų emisija.

Termioninė emisija – tai elektronų emisija iš įkaitintų metalų. Kylant temperatūrai, didėja elektronų, paliekančių metalą, skaičius. Termioninės emisijos dėsnių tyrimas gali būti atliktas naudojant paprasčiausią dviejų elektrodų elektronų vamzdį - vakuuminį diodą, kuris yra vakuuminis cilindras, kuriame yra du elektrodai: katodas. KAM ir anodas A . Katodas paprastai yra volframo siūlas. Jei diodas yra prijungtas prie grandinės (žr. 1 pav.), tada kai katodas yra šildomas ir anodui suteikiama teigiama įtampa, diodo anodo grandinėje atsiranda srovė.

Katodas šildomas srove, kurią sukuria kaitrinė baterija B N, Katodo temperatūrą galima keisti reguliuojant naudojant reostatą R H kaitinimo siūlelio srovės stiprumas. Elektrodams įtampa tiekiama iš anodo akumuliatoriaus B A. šią įtampą galima pakeisti potenciometru P ir išmatuoti voltmetru V. Anodo srovės stipris matuojamas miliampermetru mA.

Esant pastoviai katodo gijos srovei, anodo srovės stiprio priklausomybės nuo anodo įtampos kreivė yra tokia, kaip parodyta Fig. 2.

Ši kreivė vadinama diodo srovės-įtampos charakteristika. Skirtingos kreivės atitinka skirtingas katodo temperatūras. Panagrinėkime būdingus kreivių bruožus. At = 0 grandinėje teka silpna srovė, kurią lemia anodą pasiekiančių elektronų skaičius. Kad srovė būtų lygi 0 , tarp katodo ir anodo būtina taikyti tam tikrą neigiamą įtampą.

Iš pav. 2 matyti, kad Omo dėsnis vakuuminiam diodui nėra įvykdytas. Pradinė kreivės atkarpa gana gerai seka teoriškai gautą Langmuiro ir Boguslavskio dėsnį trys sekundės, pagal kurią proporcingai kinta anodo srovės stipris. Didėjant vis daugiau elektronų pasiekia anodą esant tam tikrai vertei, visi elektronai, išspinduliuojami iš katodo, pasiekia anodą – srovė nustoja augti, t.y. Maksimali terminė srovė, galima esant tam tikrai katodo temperatūrai, vadinama soties srove. Aš A mus.

Kylant temperatūrai, didėja chaotiško elektronų judėjimo metale greitis, todėl elektronų, galinčių palikti metalą, skaičius smarkiai padidėja. Soties srovės tankis, ty soties srovė anodo katodo paviršiaus vienetui, apskaičiuojamas pagal Richardson-Deshman formulę:

, (2)

Kur IN – nuolatinė emisija; k =1,38 × 10 -23 J/K – Boltzmanno konstanta.

LABORATORIJOS ĮRENGIMO IR MATAVIMO METODO APRAŠYMAS

Elektros grandinė eksperimentui atlikti parodyta fig. 3.

Čia IP - maitinimo šaltinis; FPE-06/05 – kasetė su surinkta elektros grandine (žr. 1 pav.); PV - voltmetras kaitinimo siūlelio įtampai matuoti ; V Ir A - voltmetras ir ampermetras ant maitinimo skydelio, voltmetras matuoja anodo įtampą , ampermetras – kaitinimo siūlelio srovė I nak; RA - miliametras anodo srovei matuoti Aš A .

Eksperimentiškai išmatavus soties srovės priklausomybę nuo temperatūros, galima nustatyti tam tikro katodo darbo funkciją. Šiame darbe darbo funkcijai nustatyti naudojamas Richardsono tiesės metodas, kuris yra toks. Paimkime (2) formulės logaritmą:

(3)

Funkcijos (3) grafikas yra tiesi linija, kurios nuolydis lygus : tga = A out / k. Iš čia galite rasti darbo funkciją:

. (4)

Norėdami nubraižyti grafiką, turite žinoti anodo soties srovės tankį j mus ir katodo temperatūra T. Temperatūra apskaičiuojama taip. Į katodą tiekiama galia daugiausia sunaudojama šiluminei spinduliuotei. Eksperimentiškai buvo nustatyta volframo katodo temperatūros priklausomybė T nuo galios, sunaudojamos jį šildyti katodo paviršiaus ploto vienetui R/S k.

T, K

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

W/cm2

Ši priklausomybė parodyta fig. 4. Iš šio grafiko, žinant katodui tiekiamą galią, galima nustatyti jo temperatūrą.

DARBO ATLIKIMO TVARKA

1. Prijunkite kasetę FPE-06 prijungimo kabelį prie maitinimo šaltinio IP (žr. 3 pav.). Didžiausia kaitinamojo siūlo srovės vertė aš nak, išmatuotas ampermetru ant maitinimo skydelio neturi viršyti 2,2 A. Kaitinamojo siūlelio įtampa matuojamas voltmetru PV, kuris jungiasi prie gnybtų, kuriuose nurodoma įtampa 2,5 – 4,5 V . Anodo įtampa reguliuojama naudojant maitinimo skydelio, esančio po voltmetru, rankenėlę V . Anodo srovei matuoti Aš A naudojamas ampermetras RA, kuri jungiasi prie kasetės FPE-06. Jis turėtų veikti miliampermetro režimu, matuoti srovę iki 20 mA.

Nustatykite kaitinamojo siūlo įtampą = 3,7 V, užrašykite kaitinamojo siūlo srovės vertę aš nak, ir, didinant anodo įtampą nuo 10 į 100 V per 10 V, išmatuoti anodo srovės reikšmes Aš A.

2. Atlikite panašius kaitinimo siūlelio įtampos matavimus diapazone 3,7–4,2 V, jį pakeisti 0,1 V, fiksuojant kaitinamojo siūlo srovės reikšmes. Įveskite matavimo duomenis į 1 lentelę.

3. Kiekvienai kaitinamojo siūlelio srovės vertei sukonstruoti srovės-įtampos charakteristiką, gautų kreivių vingio taškas laikomas soties tašku. Žinodami grafiko skalę, nustatykite soties srovę Aš H .

4. Visoms kaitinimo siūlelio įtampos vertėms apskaičiuokite pagal formulę P = I H U H galia, išsiskirianti ant katodo, taip pat galia katodo paviršiaus ploto vienetui. Paimkite katodo paviršiaus plotą lygų S K =3,52 × 10 -2 cm 2.

5. Pagal grafiką (žr. 4 pav.), žinant reikšmes R/S į, nustatyti katodo temperatūrą kiekvienai ant katodo išleistos galios vertei.

1 lentelė

6. Apskaičiuokite anodo soties srovės tankį pagal formulę: , priimti S=11×10 -6 m2.

7. Įveskite visus gautus duomenis į 2 lentelę.

2 lentelė

8. Sukurkite priklausomybės grafiką .

9. Nustatykite tiesės polinkio kampo į abscisių ašį liestinę ir pagal (4) formulę apskaičiuokite darbo funkciją. Konvertuokite gautą reikšmę į eV.

PATIKRINTI KLAUSIMUS DĖL LEIDIMO DIRBTI

1. Nubraižykite scheminę laboratorijos įrengimo schemą ir paaiškinkite instrumentų naudojimą.

2. Paaiškinti darbo atlikimo tvarką ir matavimo priemonių rodmenų paėmimo metodiką.

3. Kas yra vakuuminis diodas?

4. Kokia priklausomybė vadinama diodo srovės-įtampos charakteristika?

5. Kokia yra jėgų, trukdančių elektronams išeiti iš metalo, prigimtis?

6. Kaip energijos vienetą, išreikštą džauliais, paversti elektronvoltais?

7. Kaip darbe nustatomas anodinės soties srovės tankis?

8. Kaip veikiant nustatoma katodo siūlelio temperatūra?

9. Paaiškinkite, kaip darbe apskaičiuojama absoliuti ir santykinė matavimo paklaida.

TESTO KLAUSIMAI UŽ DARBĄ

1. Kokia elektrono, paliekančio metalą, darbo funkcija?

2. Kas vadinama termone emisija?

3. Paaiškinkite, kaip aplink metalo paviršių susidaro elektrinis dvigubas sluoksnis. Koks jo storis?

4. Nubraižykite elektros grandinę, kad gautumėte diodo srovės-įtampos charakteristiką.

5. Kaip įrodyti, kad termioninės emisijos metu iš katodo išskrenda neigiamo krūvio dalelės – elektronai?

6. Nubraižykite diodo srovės-įtampos charakteristikas esant skirtingoms temperatūroms.

7. Kas yra soties srovė? Kaip pasiekiama prisotinimo srovė?

8. Kodėl soties srovė priklauso nuo temperatūros?

Kaip rodo patirtis, laisvieji elektronai įprastoje temperatūroje praktiškai nepalieka metalo. Vadinasi, metalo paviršiniame sluoksnyje turi būti lėtinantis elektrinis laukas, neleidžiantis elektronams iš metalo ištrūkti į aplinkinį vakuumą. Darbas, reikalingas elektronui pašalinti iš metalo į vakuumą, vadinamas darbo funkcija. Nurodykime dvi galimas darbo funkcijos atsiradimo priežastis:

1. Jeigu elektronas dėl kokių nors priežasčių pašalinamas iš metalo, tai toje vietoje, kur elektronas pasitraukė, atsiranda perteklinis teigiamas krūvis ir elektroną traukia savaime sukeltas teigiamas krūvis.

2. Atskiri elektronai, palikdami metalą, nutolsta nuo jo atominiais atstumais ir taip virš metalo paviršiaus sukuria „elektronų debesį“, kurio tankis greitai mažėja didėjant atstumui. Šis debesis kartu su išoriniu gardelės teigiamų jonų sluoksniu susidaro elektrinis dvigubas sluoksnis, kurio laukas panašus į lygiagrečiojo plokštės kondensatoriaus lauką. Šio sluoksnio storis lygus keliems tarpatominiams atstumams (10 -10 - 10 -9 m). Išorinėje erdvėje jis nesukuria elektrinio lauko, bet neleidžia laisviesiems elektronams ištrūkti iš metalo.

Taigi, kai elektronas palieka metalą, jis turi įveikti dvigubo sluoksnio elektrinį lauką, kuris jį lėtina. Potencialų skirtumas  šiame sluoksnyje, vadinamas paviršiaus potencialo šuolis, lemia darbo funkcija (A) elektronas iš metalo:

Kur e- elektronų krūvis. Kadangi už dvigubo sluoksnio nėra elektrinio lauko, terpės potencialas lygus nuliui, o metalo viduje teigiamas ir lygus . Metalo viduje esančio laisvojo elektrono potencinė energija yra lygi - e ir yra neigiama vakuumo atžvilgiu. Remdamiesi tuo galite

Darbo funkcija išreiškiama elektronų voltų(eV): 1 eV yra lygus darbui, kurį atlieka lauko jėgos, judinant elementarųjį elektros krūvį (krūvis, lygus elektrono krūviui), kai jis praeina per 1 V potencialų skirtumą. Kadangi elektrono krūvis yra 1,6 l0 -19 C, tada 1 eV = 1,6 10 -1 9 J.

Darbo funkcija priklauso nuo metalų cheminės prigimties ir jų paviršiaus švarumo ir svyruoja kelių elektronvoltų ribose (pavyzdžiui, kalio A = 2,2 eV, platinos A = 6,3 eV). Tam tikru būdu pasirinkę paviršiaus dangą, galite žymiai sumažinti darbo našumą. Pavyzdžiui, jei ant paviršiaus užtepsite volframo (A=4,5 eV) šarminių žemių metalų oksido (Ca, Sr, Ba) sluoksnį, tada darbo funkcija sumažinama iki 2 eV.

§ 105. Emisijos reiškiniai ir jų taikymas

Jei metaluose esantiems elektronams suteikiame energijos, reikalingos darbo funkcijai įveikti, dalis elektronų gali palikti metalą, dėl to atsiranda elektronų emisijos reiškinys arba elektroninė emisija. Priklausomai nuo energijos perdavimo elektronams būdo, išskiriama terminė, fotoelektroninė, antrinė elektronų ir lauko emisija.

1. Terminė emisija – Tai įkaitintų metalų elektronų emisija. Laisvųjų elektronų koncentracija metaluose yra gana didelė, todėl net esant vidutinei temperatūrai dėl elektronų greičių (energijos) pasiskirstymo kai kurie elektronai turi pakankamai energijos, kad įveiktų potencialų barjerą ties metalo riba. Kylant temperatūrai, didėja elektronų, kurių šiluminio judėjimo kinetinė energija yra didesnė už darbo funkciją, skaičius ir tampa pastebimas terminės emisijos reiškinys.

Termioninės emisijos dėsnių tyrimas gali būti atliekamas naudojant paprasčiausią dviejų elektrodų lempą - vakuuminis diodas, kuris yra vakuuminis cilindras, kuriame yra du elektrodai: katodas KAM ir anodas A. Paprasčiausiu atveju katodas yra siūlas, pagamintas iš ugniai atsparaus metalo (pavyzdžiui, volframo), šildomas elektros srove. Anodas dažniausiai būna metalinio cilindro, supančio katodą, pavidalu. Jei diodas yra prijungtas prie grandinės, kaip parodyta Fig. 152, tada, kai katodas yra šildomas ir anodui įvedama teigiama įtampa (katodo atžvilgiu), diodo anodo grandinėje atsiranda srovė. Jei pakeisite akumuliatoriaus B a poliškumą, srovė sustos, nesvarbu, kaip karštas katodas. Vadinasi, katodas skleidžia neigiamas daleles – elektronus.

Jei palaikysime šildomo katodo temperatūrą pastovią ir pašalinsime anodo srovės priklausomybę aš o nuo anodo įtampos U a- srovės-įtampos charakteristika(153 pav.), pasirodo, kad jis nėra tiesinis, tai yra, vakuuminiam diodui Ohmo dėsnis netenkinamas. Termioninės srovės priklausomybė aš nuo anodo įtampos mažų srityje

teigiamas vertes U aprašyta trijų sekundžių dėsnis(įsteigė rusų fizikas S. A. Boguslavskis (1883-1923) ir amerikiečių fizikas I. Langmuiras (1881 - 1957)):

aš=B.U. 3/2 ,

Kur IN – koeficientas, priklausantis nuo elektrodų formos ir dydžio, taip pat nuo jų santykinės padėties.

Didėjant anodo įtampai, srovė didėja iki tam tikros didžiausios vertės Ius, vadinamos soties srovė. Tai reiškia, kad beveik visi elektronai, išeinantys iš katodo, pasiekia anodą, todėl tolesnis lauko stiprumo padidėjimas negali sukelti termojoninės srovės padidėjimo. Vadinasi, soties srovės tankis apibūdina katodo medžiagos spinduliuotę.

Nustatomas soties srovės tankis Richardson-Deshman formulė, teoriškai gauta remiantis kvantine statistika:

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

Kur A - elektronų, paliekančių katodą, darbo funkcija, T - termodinaminė temperatūra, SU- pastovus, teoriškai vienodas visiems metalams (to nepatvirtina eksperimentas, o tai, matyt, paaiškinama paviršiaus efektais). Sumažėjus darbo funkcijai, smarkiai padidėja soties srovės tankis. Todėl naudojami oksidiniai katodai (pavyzdžiui, nikelis, padengtas šarminių žemių metalų oksidu), kurių darbinė funkcija yra 1 -1,5 eV.

Fig. 153 parodytos srovės įtampos charakteristikos dviem katodų temperatūroms: T 1 Ir T 2 , ir T 2 > T 1 . Didėjant katodo temperatūrai, elektronų emisija iš katodo tampa intensyvesnė, taip pat didėja soties srovė. At U a =0, ​​stebima anodo srovė, ty kai kurie katodo skleidžiami elektronai turi pakankamai energijos, kad įveiktų darbo funkciją ir pasiektų anodą netaikydami elektrinio lauko.

Termioninės emisijos reiškinys naudojamas įrenginiuose, kuriuose būtina gauti elektronų srautą vakuume, pavyzdžiui, vakuuminiuose vamzdeliuose, rentgeno vamzdeliuose, elektroniniuose mikroskopuose ir kt. Elektroniniai vamzdžiai plačiai naudojami elektros ir radijo inžinerijoje , automatika ir telemechanika kintamosioms srovėms ištaisyti, elektros signalams ir kintamosioms srovėms stiprinti, elektromagnetiniams virpesiams generuoti ir kt. Priklausomai nuo paskirties, lempose naudojami papildomi valdymo elektrodai.

2. Fotoelektronų emisija – Tai elektronų emisija iš metalo veikiant šviesai, taip pat trumpųjų bangų elektromagnetinė spinduliuotė (pavyzdžiui, rentgeno spinduliai). Pagrindiniai šio reiškinio principai bus aptarti svarstant fotoelektrinį efektą.

3. Antrinė elektronų emisija – Tai elektronų emisija nuo metalų, puslaidininkių ar dielektrikų paviršiaus, kai jie bombarduojami elektronų pluoštu. Antrinis elektronų srautas susideda iš paviršiaus atspindėtų elektronų (elastingai ir neelastingai atspindėtų elektronų) ir „tikrųjų“ antrinių elektronų - elektronų, kuriuos iš metalo, puslaidininkio ar dielektriko išmuša pirminiai elektronai.

Antrinis elektronų skaičiaus santykis n 2 iki pirminio skaičiaus n 1 , sukeliantis emisiją vadinamas antrinis elektronų emisijos koeficientas:

=n 2 / n 1 .

Koeficientas b priklauso nuo paviršiaus medžiagos pobūdžio, bombarduojančių dalelių energijos ir jų kritimo į paviršių kampo. Puslaidininkiai ir dielektrikai turi daugiau b nei metalai. Tai paaiškinama tuo, kad metaluose, kuriuose laidumo elektronų koncentracija didelė, antriniai elektronai, dažnai su jais susidūrę, praranda energiją ir negali palikti metalo. Puslaidininkiuose ir dielektrikuose dėl mažos laidumo elektronų koncentracijos antrinių elektronų susidūrimai su jais vyksta daug rečiau ir antrinių elektronų pasitraukimo iš emiterio tikimybė padidėja kelis kartus.

Pavyzdžiui, pav. 154 parodyta antrinio elektronų emisijos koeficiento b kokybinė priklausomybė nuo energijos E krintantys elektronai KCl. Didėjant elektronų energijai, b didėja, nes pirminiai elektronai prasiskverbia giliau į kristalinę gardelę ir todėl išmuša daugiau antrinių elektronų. Tačiau esant tam tikrai pirminių elektronų 6 energijai pradeda mažėti. Taip yra dėl to, kad didėjant pirminių elektronų įsiskverbimo gyliui, antriniams elektronams darosi vis sunkiau ištrūkti į paviršių. KCl max reikšmė siekia 12 (gryniems metalams neviršija 2).

Antrinės elektronų emisijos reiškinys naudojamas fotodauginimo vamzdžiai(PMT), naudojamas stiprinti silpnas elektros sroves. Fotodaugiklis yra vakuuminis vamzdis su fotokatodu K ir anodu A, tarp kurių yra keli elektrodai - skleidėjai(155 pav.). Elektronai, išstumti iš fotokatodo, veikiami šviesos, patenka į emiterį E 1, eidami per greitėjimo potencialų skirtumą tarp K ir E 1.  elektronai išmušami iš emiterio E 1. Sustiprėjo tokiu būdu

elektronų srautas nukreipiamas į emiterį E2, o daugybos procesas kartojamas visuose tolesniuose emiteriuose. Jei PMT yra n emiteriai, tada prie anodo A, vadinami kolekcininkas, Rezultatas – fotoelektronų srovė, sustiprinta 6 kartus.

4. Autoelektroninės emisijos – Tai elektronų emisija nuo metalų paviršiaus, veikiant stipriam išoriniam elektriniam laukui. Šiuos reiškinius galima stebėti vakuuminiame vamzdyje, kurio elektrodų konfigūracija (katodas - antgalis, anodas - vidinis vamzdžio paviršius) leidžia, esant maždaug 10 3 V įtampai, gauti maždaug 10 stiprio elektrinius laukus. 7 V / m. Palaipsniui didėjant įtampai, jau esant maždaug 10 5 -10 6 V/m lauko stipriui katodo paviršiuje, dėl katodo skleidžiamų elektronų atsiranda silpna srovė. Šios srovės stiprumas didėja didėjant įtampai vamzdyje. Kai katodas šaltas, atsiranda srovės, todėl aprašytas reiškinys dar vadinamas šalčio emisija.Šio reiškinio mechanizmo paaiškinimas įmanomas tik remiantis kvantine teorija.

Laidumo elektronai metale juda atsitiktinai. Greičiausiai judantys elektronai, turintys pakankamai didelę kinetinę energiją, gali išeiti iš metalo į aplinkinę erdvę. Tuo pačiu metu jie veikia tiek prieš patrauklias jėgas, atsirandančias dėl perteklinio teigiamo krūvio, atsirandančio metale dėl jų emisijos, ir prieš atstumiančias jėgas iš anksčiau išspinduliuotų elektronų, sudarydami elektronų „debesį“ šalia metalo paviršiaus. dirigentas. Nustatoma dinaminė pusiausvyra tarp metale esančių elektronų dujų ir elektronų „debesio“. Darbas, kurį reikia atlikti norint pašalinti elektroną iš metalo į vakuumą, vadinamas darbo funkcija. Jis lygus , kur e yra elektrono krūvis ir išėjimo potencialas. Darbo funkciją gamina elektronai – dėl jų kinetinės energijos sumažėjimo. Todėl aišku, kad lėtai judantys elektronai negali ištrūkti iš metalo. Darbo funkcija priklauso nuo metalo cheminės prigimties ir jo paviršiaus užterštumo pėdsakų ir tt keičia jo vertę; Gryniems metalams darbo funkcija skiriasi kelių elektronų voltais. Laidumo elektronas gali ištrūkti iš bet kurio metalo, jei jo energija viršija elektrono nuo metalo darbo funkciją A. Įkaitintų metalų skleidžiamas elektronų reiškinys vadinamas termone emisija.

Laidumo elektronų koncentracija metale yra labai didelė; jų šiluminiai greičiai tam tikroje temperatūroje yra skirtingi ir pasiskirstę pagal klasikines koncepcijas pagal Maksvelo dėsnį. Tai reiškia, kad net esant vidutinei temperatūrai metale yra pakankamai daug laidumo elektronų, galinčių atlikti darbinę funkciją ir išskristi iš metalo. Šiuo atveju darbo funkcija lygi kinetinės energijos sumažėjimui

kur m, e yra atitinkamai elektrono masė ir krūvis, ir elektrono greitis prieš ir išėjus iš metalo. Esant įprastoms temperatūroms, pakankamai greitų elektronų skaičius yra labai mažas. Yra keletas būdų, kaip elektronams suteikti papildomos energijos, reikalingos jiems pašalinti iš metalo: laidininko kaitinimas (terminė elektronų emisija); metalų apšvitinimas matoma ir ultravioletine šviesa (fotoelektronų emisija); greitėjančio išorinio elektrinio lauko poveikis (lauko emisija arba šalčio emisija); metalo bombardavimas elektronais arba jonais.

Norint gauti didelį elektronų srautą, vadinamasis emiteris kaitinamas iki 2000÷2500 K temperatūros.

Termioninei emisijai tirti galite naudoti sąranką, susidedančią iš dviejų elektrodų – anodo A ir katodo K, kurie yra patalpinti į vakuumą (18.1 pav.). Katodas pagamintas sriegio pavidalu, anodas - bendraašio cilindro pavidalu. Katodas, kuris yra elektronų šaltinis, šildomas naudojant specialią kaitrinę bateriją Bn.

Anodo baterija Ba sukuria elektrinį lauką Evn tarp katodo ir anodo. Kaitinamas siūlas, atsiranda elektronų debesis, turintis neigiamą krūvį. Dėl baterijos Ba anodo įjungimo tarp katodo ir anodo pradeda judėti elektronų srautas, t.y. Grandine pradeda tekėti elektros srovė. Srovės stiprumas priklauso nuo kaitinimo siūlelio temperatūros,

įtampa Ua, kurią sukuria anodo baterija, katodo medžiaga ir elektrodų geometrija. Galvanometru G užfiksuotos anodo srovės priklausomybė nuo anodo įtampos I=f(Ua) vadinama įrenginio srovės-įtampos charakteristika.

Šią charakteristiką galima pašalinti eksperimentiniu būdu, palaikant pastovią kaitinamojo siūlo įtampą ir keičiant įtampą Ua (18.2 pav.). Šioje srovės įtampos charakteristikoje galima išskirti tris sritis. I sritis atitinka atvejį, kai elektrodams taikomas lėtinantis potencialų skirtumas (prie anodo prijungtas neigiamas akumuliatoriaus polius), t.y. laukas E sulėtina elektronus. Tačiau srovė vis tiek teka grandinėje, nes kai kurie elektronai, išeinantys iš karšto gijos, turi energijos, kurios pakanka įveikti lėtinančio potencialo skirtumą. Ši srovės ir įtampos charakteristikos dalis vadinama „delsimo kreive“. Be anodo baterijos sukurto elektrinio lauko Evn, esantis laukas tarp katodo ir anodo atsiranda dėl jo atsiradimo skraidančių elektronų. Elektronai, judantys nuo katodo ant anodo, sukuria tam tikrą erdvės krūvį, dėl kurio elektrinis laukas Eob sulėtina elektronus, kai jie palieka katodą, ir pagreitina, kai jie artėja prie anodo. Didėjant potencialų skirtumui Ua, laukas E0b mažės. Todėl anodą pasieks vis daugiau elektronų ir padidės srovės stiprumas (II sritis).

Esant tam tikrai potencialų skirtumo U a =U 0 reikšmei, bendras laukas E in + E apie prie katodo tampa lygus nuliui. Tokiu atveju visi elektronai, išeinantys iš katodo tam tikroje temperatūroje, pasieks anodą. Todėl toliau padidėjus įtampai Ua anodo srovė nepadidės I. Srovės stipris taps pastovus (III sritis). Ši srovė vadinama prisotinimo srove. Prisotinimo srovės stiprumas, kai kiti dalykai yra vienodi, priklauso nuo emiterio temperatūros. Soties srovės tankio jH priklausomybė nuo absoliučios temperatūros T yra patenkinamai aprašyta Richardson-Dashman formule.

(18.7)

kur yra vidutinis elektronų atspindžio koeficientas nuo emiterio ir vakuumo ribos, B yra konstanta, priklausanti nuo katodo medžiagos, A yra elektronų darbo funkcija, k yra Boltzmanno konstanta.