Përçueshmëria e lartë elektrike e metaleve është për shkak të pranisë në to të një numri të madh elektronesh të lira të shkëputura nga atomet. Këto elektrone - elektronet përçuese - formojnë të ashtuquajturin gaz elektronik në metal. Elektronet e lira i nënshtrohen lëvizjes termike dhe kanë energji kinetike, por mbahen brenda metalit për shkak të ndërveprimit të tyre Kulomb me rrjetën kristalore të ngarkuar pozitivisht. Që një elektron të largohet nga metali, duhet të punohet kundër këtyre forcave, që quhet funksioni i punës elektronet.

Ka dy arsye që çojnë në shfaqjen e funksionit të punës. E para është si më poshtë. Kur një elektron përpiqet të largohet nga metali, një ngarkesë pozitive e induktuar shfaqet në sipërfaqen e tij (e ashtuquajtura pasqyrë elektrostatike). Si rezultat, një forcë tërheqëse lind midis elektronit dhe metalit, e drejtuar drejt metalit, duke parandaluar që elektroni të largohet dhe të shfaqet jashtë trupit (Fig. 1). Puna kundër forcës së tërheqjes drejt një trupi të ngarkuar pozitivisht është pjesa kryesore e funksionit të punës. Kjo pjesë e funksionit të punës është e ngjashme me energjinë e jonizimit të atomeve ose molekulave.

Përveç kësaj, ka një kontribut në funksionin e punës që lidhet me praninë e një shtrese elektrike të dyfishtë në rajonin afër sipërfaqes së çdo trupi (Fig. 2). Ndodh edhe në një sipërfaqe kristali krejtësisht të rregullt dhe të pastër. Elektrone individuale vazhdimisht largohen nga sipërfaqja e metalit, largohen prej saj në disa distanca ndëratomike dhe më pas ndalojnë nën ndikimin e ngarkesës së pakompensuar të joneve të ngarkuar pozitivisht dhe kthehen prapa. Si rezultat, metali e gjen veten të rrethuar nga një re e hollë elektronesh (Fig. 2).

Trashësia e shtresës së dyfishtë është në rendin e disa distancave ndëratomike (10 -10 h10 -9 m). Për shkak të fushës elektrike të shtresës së dyfishtë, një forcë vepron mbi elektronet e drejtuara në kristal. Puna për të kapërcyer forcën që vepron për shkak të fushës elektrike të shtresës së dyfishtë në kufirin e trupit është komponenti i dytë i funksionit të punës. Përtej zonës së dyfishtë të shtresës jashtë kristalit, vetëm forca e Kulombit, e cila u diskutua më lart, vepron mbi elektronet.

Kur kalon nëpër sipërfaqe në një vakum, potenciali elektronik rritet në krahasim me potencialin brenda metalit me një sasi të caktuar. ts, i cili quhet diferenca e potencialit sipërfaqësor. Ajo lidhet me funksionin e punës si më poshtë:

Ku e - moduli i ngarkesës së elektronit. Funksioni i punës zakonisht shprehet në elektronvolt (eV):

1 eV = 1,6·10-19 xhaul.

Për të hequr një elektron nga një vëllim metalik përtej kufijve të tij, energjia kinetike e elektronit duhet të tejkalojë funksionin e punës.

Ku m- masa elektronike, v- shpejtësia e tij. Kur plotësohet kushti (2), vërehet dukuria e emetimit të elektroneve, d.m.th. emetimi i elektroneve nga një sipërfaqe metalike. Për të vëzhguar emetimin e elektroneve, është e nevojshme t'u jepet energji elektroneve.

Në varësi të metodës së transmetimit të energjisë, dallohen katër lloje të emetimeve:

• 1. Emetimi termionik- emetimi i elektroneve nga metalet e nxehta. Me rritjen e temperaturës, numri i elektroneve rritet ndjeshëm, energjia kinetike e lëvizjes termike të të cilave është më e madhe se funksioni i punës, dhe fenomeni i emetimit termionik bëhet më i dukshëm.
• 2. Emetimi i fotoelektronit. Emetimi i elektroneve nga një metal nën ndikimin e rrezatimit. Në këtë rast, elektroni merr energji shtesë për shkak të energjisë së fotonit:

Ku h, - Konstantja e Planck-ut, n- frekuenca e rrezatimit të rënë.

• 3, Emetimi sekondar i elektroneve - emetimi i elektroneve kur një sipërfaqe bombardohet nga jashtë me një rreze elektronesh ose grimcash të tjera.
• 4. Emision në terren - emetim i elektroneve nga sipërfaqja e një metali nën ndikimin e një fushe të fortë elektrike të jashtme.

Të gjitha llojet e emetimeve përdoren në pajisje të ndryshme elektronike, por më shpesh përdoret emetimi termionik më i kontrolluar.

Funksioni i punës është një karakteristikë e sipërfaqes së një trupi. Fytyrat e të njëjtit kristal, të formuara nga plane të ndryshme kristalografike ose të veshura me substanca të ndryshme, kanë funksione të ndryshme pune. Për shembull, për të reduktuar funksionin e punës, sipërfaqja e tungstenit është e veshur me një shtresë të hollë toriumi, ceziumi, bariumi ose oksidet e disa metaleve (katodat e aktivizuara). Trashësia e shtresës është disa dhjetëra mijëra distanca ndëratomike.

Emetimi i elektroneve nga metali

Në temperatura normale, energjia e elektroneve nuk është e mjaftueshme për t'u larguar nga trupi. Për të marrë emetimin e elektroneve, është e nevojshme t'u jepet energji shtesë elektroneve.

Mungesa e emetimit në temperatura normale shpjegohet me dy arsye .

Së pari është se elektronet kanë energjinë më të madhe ( W 0 ose më shumë), me lëvizjen e tyre të rastësishme, i afrohen sipërfaqes së metalit, por ato tërhiqen nga jonet pozitive të rrjetës hapësinore. Një "film elektronik" formohet në sipërfaqe (Fig. 5.3, A). Natyrisht, nuk është "i ngrirë", por është në ekuilibër dinamik. Elektrone të reja hyjnë në këtë "film" dhe ato që hynë më parë në të kthehen në thellësitë e metalit.

Ekziston një fushë elektrike midis filmit elektronik dhe joneve pozitive, e cila ngadalëson elektronet që përpiqen të largohen nga trupi (Fig. 5.3, b). Ata thonë se një shtresë elektrike e dyfishtë (një shtresë elektronesh mbi një shtresë jonesh) formohet në sipërfaqen e metalit. Për të kaluar nëpër këtë shtresë, elektroni duhet të ketë më shumë energji W 0 .

Fig.5.3. Filmi elektronik (a) dhe fusha elektrike e shtresës elektrike të dyfishtë (b)

Së dyti shkaku, duke parandaluar që elektronet të largohen, qëndron në faktin se një metal i privuar nga disa elektrone bëhet i ngarkuar pozitivisht. Një fushë elektrike lind midis saj dhe elektroneve të emetuara, nën ndikimin e së cilës elektronet tërhiqen përsëri në metal. Forca e kësaj tërheqjeje zvogëlohet shpejt ndërsa elektroni largohet nga sipërfaqja metalike. Mund të konsiderohet e barabartë me zero kur elektroni largohet nga sipërfaqja metalike në disa distanca ndëratomike.

Kështu, Në mënyrë që të fluturojë në një vakum dhe të mos lidhet me metalin, elektroni duhet të ketë, përveç energjisë W 0, energjinë e nevojshme për të kapërcyer forcën e tërheqjes së kundërt ndaj metalit.

Energjia që duhet t'i jepet një elektroni për të dalë nga metali përveç energjisë maksimale W 0 të disponueshme në temperaturën zero absolute quhet funksioni efektiv i punës ose thjesht funksioni i punës.(W jashtë).

Puna totale e bërë nga një elektron kur largohet nga metali është e barabartë me W 0 + W dalje Ajo quhet ndonjëherë funksioni total i punës, dhe sasitë W 0 dhe W prodhimit në përputhje me rrethanat funksionin e punës së brendshme dhe të jashtme.

Puna e bërë për të lëvizur një ngarkesë elektrike, e ndarë me madhësinë e ngarkesës, është e barabartë me diferencën potenciale që kalon ngarkesa. Nëse puna W 0 + W pjesëtuar me ngarkesën e elektronit e, atëherë ju merrni një ndryshim të mundshëm.

Meqenëse një elektron shpenzon energji kur largohet nga një metal, potenciali në një vakum është negativ në raport me metalin. Duke marrë potencialin metalik si zero, mund të shkruajmë se potenciali φ në një vakum afër sipërfaqes së metalit është i barabartë me:

ku φ 0 është potenciali në kufirin e filmit elektronik dhe vakumit;

φout - potencial që korrespondon me funksionin e punës.

Në Fig. 5.4, A tregon një grafik të ndryshimit të potencialit gjatë kalimit nga metali në vakum. Vertikali është potenciali negativ φ, horizontali është distanca X. Në kufirin midis metalit dhe vakumit, fitohet një "kërcim" ose "pengesë e mundshme" për elektronet. Në filmin elektronik, potenciali rritet në drejtim negativ me φ 0 dhe më pas në vakum rritet më tej me φ jashtë. "Lartësia" totale e barrierës është φ 0 + φ jashtë. D la Për të kapërcyer pengesën, elektroni duhet të ketë një energji prej të paktën W 0 + W nga elektron-volt ose "shpejtësia" nuk është më pak se φ 0 + φ jashtë volt.

Fig.5.4. Pengesë e mundshme në ndërfaqen midis metalit dhe vakumit (a)

dhe analogjia e saj mekanike (b)

Një model mekanik vizual i rendimentit të elektronit është paraqitur në Fig. 5.4, b. Barriera e mundshme zëvendësohet nga një kodër që kthehet në një pllajë, dhe elektronet zëvendësohen nga topa të vendosur në këmbë. Në mënyrë që topat të mbështjellin rrëshqitjen, ato duhet të kenë një energji të caktuar kinetike, në varësi të lartësisë. h. Nëse nuk ka energji të mjaftueshme, topat kthehen prapa. Për analogji me lëvizjen e elektroneve në vakum, besohet se topat rrotullohen pa fërkime. Për një kalim të përshtatshëm në një analogji të tillë mekanike, potenciali negativ në Fig. 5.4 është vendosur lart.

Funksioni i punës ndryshon për metale të ndryshme dhe arrin në disa elektron volt. Sa më i madh të jetë, aq më e vështirë është të marrësh emetim elektronik. Metalet me distanca të mëdha ndëratomike kanë një funksion pune më të ulët. Këto përfshijnë metale alkaline dhe alkaline të tokës, të tilla si ceziumi, bariumi dhe kalciumi.

Një studim i fenomenit të emetimit të elektroneve tregoi se papastërtitë e substancave të tjera në sipërfaqen e metalit kanë një efekt të rëndësishëm në funksionin e punës.

Nëse në sipërfaqen e metalit bazë ka atome të substancave që i dhurojnë elektrone këtij metali, atëherë vërehet një rritje e emetimit. Substancat e tilla quhen duke aktivizuar. Ndikimi i tyre shpjegohet me faktin se atomet që i kanë dhuruar disa elektrone metalit bazë kthehen në jone pozitive dhe formojnë një shtresë elektrike të dyfishtë në sipërfaqen e metalit (Fig. 5.5).

Fig.5.5. Fusha elektrike midis metalit dhe pozitivit

jonet e substancës aktivizuese

Fusha elektrike e kësaj shtrese është duke u përshpejtuar për elektronet që përpiqen të ikin nga metali dhe funksioni i punës zvogëlohet. Funksioni më i vogël i punës fitohet kur jonet e papastërtive pozitive vendosen në një shtresë një-atomike.

Fusha midis filmit të substancës aktivizuese dhe metalit bazë është e ngjashme me fushën në një kondensator me pllaka në formën e rrjetave metalike (grilat). Në një kondensator, fusha ekziston vetëm midis pllakave, dhe nëse një elektron hyn në këtë fushë përmes vrimës në pllakën e ngarkuar negativisht, ai do të fluturojë me shpejtësi të shtuar përmes vrimës në pllakën e ngarkuar pozitivisht.

Atomet e disa substancave, kur janë në kontakt me një metal, largojnë elektronet prej tij dhe kthehen në jone negative. Një shtresë e atomeve të tilla në sipërfaqen e metalit parandalon emetimin e elektroneve. Një fushë shfaqet midis këtyre atomeve dhe metalit bazë, duke penguar elektronet e emetuara dhe funksioni i punës rritet.

Për shembull, atomet e oksigjenit në sipërfaqen e tungstenit rrisin rendimentin në 9.2 EV. Ata thonë se metali zvogëlon emetimin e tij për shkak të "helmimit" me oksigjen. Gjatë ndërtimit të katodës, zakonisht krijohen shtresa aktivizuese në sipërfaqen e metalit bazë, duke zvogëluar funksionin e punës dhe merren masa për të siguruar që sipërfaqja e katodës të mos "helmohet" nga atomet e oksigjenit.

Është gjithashtu e mundur të zvogëlohet funksioni i punës duke veshur sipërfaqet metalike me shtresa të oksideve të metaleve alkaline dhe tokësore alkaline të quajtura okside. Pastaj, funksioni i punës është edhe më i vogël se në rastin e filmave monatomikë.

Qëllimi i punës: ndërtimi dhe studimi i karakteristikave të rrymës-tensionit të diodës; studimi i varësisë së densitetit të rrymës së ngopjes gjatë emetimit termik nga temperatura e katodës; përcaktimi i funksionit të punës së një elektroni nga tungsteni.

HYRJE

Bartës të rrymës në metale janë elektronet e lira, d.m.th. elektronet lidhen dobët me jonet e rrjetës kristalore metalike. Elektronet e lira në temperaturën e dhomës praktikisht nuk e lënë metalin. Kjo shpjegohet me faktin se në shtresën sipërfaqësore të metalit ka një fushë elektrike ngadalësuese që pengon elektronin të largohet nga metali. Puna e nevojshme për të hequr një elektron nga një metal quhet punë A.

Elektronet, duke lënë metalin, largohen prej tij në distanca të rendit të madhësive atomike dhe krijojnë një "re elektronike" mbi sipërfaqen e metalit. Kjo re, së bashku me shtresën e jashtme të joneve pozitive të rrjetës dhe ngarkesat pozitive të induktuara si rezultat i emetimit të elektroneve, formon një shtresë elektrike të dyfishtë, fusha e së cilës është e ngjashme me fushën e një kondensatori me pllakë të sheshtë. . Kjo fushë parandalon ikjen e mëtejshme të elektroneve të lira nga metali. Trashësia e kësaj shtrese elektrike është (10 -10 – 10 -9) m Kështu, kur një elektron largohet nga metali, ai duhet të kapërcejë fushën elektrike të shtresës së dyfishtë që e mban atë.

Diferenca e mundshme D j në këtë shtresë, e quajtur kërcimi i potencialit sipërfaqësor, përcaktohet nga funksioni i punës A elektron nga metali:

Ku e – ngarkesa elektronike. Funksioni i punës zakonisht matet në elektron volt ( eV ): 1 eV e barabartë me punën e bërë nga forcat e fushës kur një elektron kalon nëpër një ndryshim potencial 1 V. Prandaj: 1 eV = 1,6 × 10 -19 J. Funksioni i punës varet nga natyra kimike e metaleve, nga pastërtia e sipërfaqes së tyre dhe ka vlera prej disa elektron volt.

Nëse elektroneve në metal u jepet energjia e nevojshme për të kapërcyer fushën elektrike të shtresës së dyfishtë që e vonon atë, d.m.th. energji e barabartë në vlerë me funksionin e punës, atëherë disa nga elektronet do të largohen nga metali, d.m.th. Vërehet fenomeni i emetimit të elektroneve nga një metal - emetimi i elektroneve.

Emetimi termionik është emetimi i elektroneve nga metalet e nxehta. Me rritjen e temperaturës, rritet numri i elektroneve që largohen nga metali. Studimi i ligjeve të emetimit termionik mund të kryhet duke përdorur tubin elektronik më të thjeshtë me dy elektroda - një diodë vakum, e cila është një cilindër i evakuuar që përmban dy elektroda: një katodë. TE dhe anoda A . Katoda është zakonisht një filament tungsteni. Nëse dioda është e lidhur me qarkun (shih Fig. 1), atëherë kur katoda nxehet dhe në anodë aplikohet një tension pozitiv, në qarkun e anodës së diodës lind një rrymë.

Katoda nxehet nga rryma e gjeneruar nga bateria inkandeshente B N, Temperatura e katodës mund të ndryshohet duke rregulluar duke përdorur një reostat R H forca e rrymës së filamentit. Elektrodat furnizohen me tension nga bateria e anodës B A. ky tension mund të ndryshohet duke përdorur një potenciometër P dhe matni me voltmetër V. Fuqia e rrymës së anodës matet me një miliammetër mA.

Në një rrymë konstante të filamentit katodë, kurba e varësisë së fuqisë së rrymës së anodës nga tensioni i anodës ka formën e treguar në Fig. 2.

Kjo kurbë quhet karakteristika aktuale e tensionit të diodës. Kurba të ndryshme korrespondojnë me temperatura të ndryshme të katodës. Le të shqyrtojmë tiparet karakteristike të kthesave. Në = 0 një rrymë e dobët rrjedh në qark, e përcaktuar nga numri i elektroneve që arrijnë në anodë. Për të bërë një rrymë të barabartë me 0 , është e nevojshme të aplikohet një tension negativ midis katodës dhe anodës.

Nga Fig. 2 mund të shihet se ligji i Ohmit për një diodë vakum nuk është i kënaqur. Seksioni fillestar i kurbës ndjek mjaft mirë ligjin e marrë teorikisht të Langmuir dhe Boguslavsky tre sekonda, sipas të cilit fuqia e rrymës së anodës ndryshon proporcionalisht. Me një rritje, gjithnjë e më shumë elektrone arrijnë në anodë në një vlerë të caktuar, të gjitha elektronet e emetuara nga katoda arrijnë në anodë - rryma ndalon të rritet, d.m.th., ndodh ngopja. Rryma maksimale termionike e mundshme në një temperaturë të caktuar të katodës quhet rryma e ngopjes - Unë A ne.

Me rritjen e temperaturës, shpejtësia e lëvizjes kaotike të elektroneve në metal rritet, kështu që numri i elektroneve që mund të largohen nga metali rritet ndjeshëm. Dendësia e rrymës së ngopjes, domethënë rryma e ngopjes për njësi të sipërfaqes së katodës së anodës, llogaritet duke përdorur formulën Richardson-Deshman:

, (2)

Ku NË – emetim konstant; k =1,38 ×10 -23 J/K – Konstante Boltzmann.

PËRSHKRIMI I METODËS SË INSTALIMIT DHE MATJES SË LABORATORIT

Qarku elektrik për kryerjen e eksperimentit është paraqitur në Fig. 3.

Këtu IP - furnizimi me energji elektrike; FPE-06/05 – një kasetë me një qark elektrik të montuar (shih Fig. 1); PV - voltmetër për matjen e tensionit të filamentit ; V Dhe A - voltmetri dhe ampermetri në panelin e furnizimit me energji elektrike, voltmetri mat tensionin e anodës , ampermetri - rryma e filamentit I nak; RA - miliammetër për matjen e rrymës së anodës Unë A .

Duke matur në mënyrë eksperimentale varësinë e rrymës së ngopjes nga temperatura, është e mundur të përcaktohet funksioni i punës për një katodë të caktuar. Në këtë punim për përcaktimin e funksionit të punës përdoret metoda e drejtëz Richardson, e cila është si më poshtë. Le të marrim logaritmin e formulës (2):

(3)

Grafiku i funksionit (3) është një vijë e drejtë, pjerrësia e së cilës është e barabartë me : tga = A jashtë / k. Nga këtu mund të gjeni funksionin e punës:

. (4)

Për të paraqitur grafikun, duhet të dini densitetin e rrymës së ngopjes së anodës j ne dhe temperaturën e katodës T. Temperatura llogaritet si më poshtë. Fuqia e furnizuar në katodë shpenzohet kryesisht në rrezatim termik. Për tungstenin, varësia e temperaturës së katodës u përcaktua eksperimentalisht T nga fuqia e shpenzuar për ngrohjen e saj për njësi sipërfaqe të sipërfaqes së katodës R/S k.

T, K

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

W/cm2

Kjo varësi është paraqitur në Fig. 4. Nga ky grafik, duke ditur fuqinë e furnizuar në katodë, mund të përcaktoni temperaturën e saj.

PROCEDURA E KRYERJES SË PUNËS

1. Lidhni kasetën FPE-06 kabllo lidhëse me furnizimin me energji elektrike IP (shih Fig. 3). Vlera maksimale e rrymës së filamentit Unë nak, e matur nga ampermetri në panelin e furnizimit me energji nuk duhet të kalojë 2.2 A. Tensioni i filamentit matet me voltmetër PV, i cili lidhet me terminalet ku tregohet tensioni 2,5 - 4,5 V . Tensioni i anodës rregullohet duke përdorur një çelës në panelin e furnizimit me energji elektrike të vendosur nën voltmetër V . Për të matur rrymën e anodës Unë A ampermetri i përdorur RA, e cila lidhet me kasetën FPE-06. Ai duhet të funksionojë në modalitetin e miliammetrit, duke matur rrymën deri në 20 mA.

Vendosni tensionin e filamentit = 3.7 V, regjistroni vlerën aktuale të filamentit Unë nak, dhe, duke rritur tensionin e anodës nga 10 te 100 V përmes 10 V, matja e vlerave të rrymës së anodës Unë A.

2. Kryeni matje të ngjashme për tensionin e filamentit në interval 3,7 - 4,2 V, duke e ndryshuar atë përmes 0,1 V, gjatë fiksimit të vlerave të rrymës së filamentit. Futni të dhënat e matjes në tabelën 1.

3. Për secilën vlerë të rrymës së filamentit, ndërtoni një karakteristikë të rrymës-tensionit, pika e përkuljes në kthesat që rezultojnë konsiderohet pika e ngopjes. Duke ditur shkallën e grafikut, përcaktoni rrymën e ngopjes Unë H .

4. Për të gjitha vlerat e tensionit të filamentit, llogaritni duke përdorur formulën P = I H U H fuqia e lëshuar në katodë, si dhe fuqia për njësi sipërfaqe të katodës. Merrni sipërfaqen e katodës të barabartë me S K =3,52 ×10 -2 cm 2.

5. Sipas orarit (shih Fig. 4), njohja e vlerave R/S për, përcaktoni temperaturën e katodës për secilën vlerë të fuqisë së lëshuar në katodë.

Tabela 1

6. Llogaritni densitetin e rrymës së ngopjes së anodës duke përdorur formulën: , pranoni S=11×10 -6 m2.

7. Futni të gjitha të dhënat e marra në tabelën 2.

Tabela 2

8. Ndërtoni një grafik varësie .

9. Përcaktoni tangjenten e këndit të prirjes së drejtëzës në boshtin e abshisës dhe llogaritni funksionin e punës duke përdorur formulën (4). Konvertoni vlerën që rezulton në eV.

KONTROLLO PYETJE PËR LEJE PËR PUNË

1. Vizatoni një diagram skematik të konfigurimit të laboratorit dhe shpjegoni përdorimin e instrumenteve.

2. Të shpjegojë procedurën e kryerjes së punës dhe metodologjinë e marrjes së leximeve nga instrumentet matëse.

3. Çfarë është një diodë vakum?

4. Çfarë varësie quhet karakteristika e rrymës-tensionit të një diode?

5. Cila është natyra e forcave që pengojnë elektronet të largohen nga metali?

6. Si të shndërrohet njësia e energjisë e shprehur në xhaul në elektron volt?

7. Si përcaktohet në vepër densiteti i rrymës së ngopjes anodike?

8. Si përcaktohet temperatura e filamentit të katodës në funksionim?

9. Shpjegoni se si puna njehson gabimin absolut dhe relativ të matjes.

PYETJE TESTI PËR KALIMIN E PUNËS

1. Cili është funksioni i punës së një elektroni që largohet nga një metal?

2. Çfarë quhet emetim termionik?

3. Shpjegoni se si një shtresë elektrike e dyfishtë ndodh rreth sipërfaqes së një metali. Sa është trashësia e tij?

4. Vizatoni një qark elektrik për të marrë karakteristikën e tensionit aktual të diodës.

5. Si të vërtetohet se grimcat e ngarkuara negativisht - elektronet - fluturojnë jashtë katodës gjatë emetimit termionik?

6. Vizatoni karakteristikat e rrymës-tensionit të diodës në temperatura të ndryshme.

7. Çfarë është rryma e ngopjes? Si arrihet rryma e ngopjes?

8. Pse rryma e ngopjes varet nga temperatura?

Siç tregon përvoja, elektronet e lira në temperatura të zakonshme praktikisht nuk largohen nga metali. Rrjedhimisht, duhet të ketë një fushë elektrike ngadalësuese në shtresën sipërfaqësore të metalit, duke parandaluar që elektronet të largohen nga metali në vakumin përreth. Puna e nevojshme për të hequr një elektron nga një metal në vakum quhet funksioni i punës. Le të tregojmë dy arsye të mundshme për shfaqjen e funksionit të punës:

1. Nëse një elektron hiqet nga një metal për ndonjë arsye, atëherë një ngarkesë pozitive e tepërt lind në vendin ku u largua elektroni dhe elektroni tërhiqet nga ngarkesa pozitive e shkaktuar nga vetë ai.

2. Elektronet individuale, duke e lënë metalin, largohen prej tij në distanca të rendit atomik dhe në këtë mënyrë krijojnë një "re elektronike" mbi sipërfaqen e metalit, dendësia e së cilës zvogëlohet shpejt me distancën. Kjo re, së bashku me shtresën e jashtme të joneve pozitive të grilës, formohet dy shtresa elektrike, fusha e së cilës është e ngjashme me fushën e një kondensatori me pllaka paralele. Trashësia e kësaj shtrese është e barabartë me disa distanca ndëratomike (10 -10 - 10 -9 m). Nuk krijon një fushë elektrike në hapësirën e jashtme, por parandalon që elektronet e lira të largohen nga metali.

Kështu, kur një elektron largohet nga metali, ai duhet të kapërcejë fushën elektrike të shtresës së dyfishtë që e vonon atë. Diferenca potenciale  në këtë shtresë, quhet kërcim potencial sipërfaqësor, përcaktuar nga funksioni i punës (A) elektron nga metali:

Ku e- ngarkesa elektronike. Meqenëse nuk ka fushë elektrike jashtë shtresës së dyfishtë, potenciali i mediumit është zero, dhe brenda metalit potenciali është pozitiv dhe i barabartë me . Energjia potenciale e një elektroni të lirë brenda një metali është e barabartë me - e dhe është negative në raport me vakumin. Në bazë të kësaj mundeni

Funksioni i punës shprehet në elektron volt(eV): 1 eV është e barabartë me punën e bërë nga forcat e fushës kur lëviz një ngarkesë elektrike elementare (një ngarkesë e barabartë me ngarkesën e një elektroni) kur ajo kalon përmes një ndryshimi potencial prej 1 V. Meqenëse ngarkesa e një elektroni është 1,6 l0 -19 C, pastaj 1 eV = 1,6 10 -1 9 J.

Funksioni i punës varet nga natyra kimike e metaleve dhe pastërtia e sipërfaqes së tyre dhe ndryshon brenda disa elektron volt (për shembull, për kaliumin A = 2,2 eV, për platinin A = 6,3 eV). Duke zgjedhur veshjen e sipërfaqes në një mënyrë të caktuar, ju mund të zvogëloni ndjeshëm prodhimin. Për shembull, nëse aplikoni tungsten në sipërfaqe (A=4.5 eV) shtresa e oksidit të metalit tokësor alkalin (Ca, Sr, Ba), atëherë funksioni i punës reduktohet në 2 eV.

§ 105. Dukuritë e emisioneve dhe zbatimi i tyre

Nëse u sigurojmë elektroneve në metale energjinë e nevojshme për të kapërcyer funksionin e punës, atëherë disa nga elektronet mund të largohen nga metali, duke rezultuar në fenomenin e emetimit të elektroneve, ose emetimi elektronik. Në varësi të metodës së dhënies së energjisë elektroneve, dallohen emetimi termionik, fotoelektronik, elektroni sekondar dhe i fushës.

1. Emetimi termionik - Ky është emetimi i elektroneve nga metalet e nxehta. Përqendrimi i elektroneve të lira në metale është mjaft i lartë, prandaj, edhe në temperatura mesatare, për shkak të shpërndarjes së shpejtësisë së elektroneve (energjisë), disa elektrone kanë energji të mjaftueshme për të kapërcyer pengesën potenciale në kufirin metalik. Me rritjen e temperaturës rritet edhe numri i elektroneve, energjia kinetike e lëvizjes termike të të cilave është më e madhe se funksioni i punës dhe dukuria e emetimit termionik bëhet e dukshme.

Studimi i ligjeve të emetimit termionik mund të kryhet duke përdorur llambën më të thjeshtë me dy elektroda - dioda me vakum, i cili është një cilindër i evakuuar që përmban dy elektroda: një katodë TE dhe anoda A. Në rastin më të thjeshtë, katoda është një filament i bërë nga një metal zjarrdurues (për shembull, tungsten), i nxehtë nga një rrymë elektrike. Anoda më së shpeshti merr formën e një cilindri metalik që rrethon katodën. Nëse dioda është e lidhur me qarkun, siç tregohet në Fig. 152, atëherë kur katoda nxehet dhe një tension pozitiv aplikohet në anodë (në lidhje me katodën), një rrymë lind në qarkun e anodës së diodës. Nëse ndryshoni polaritetin e baterisë B a, rryma ndalon, pavarësisht se sa nxehtë nxehet katoda. Rrjedhimisht, katoda lëshon grimca negative - elektrone.

Nëse e mbajmë konstante temperaturën e katodës së ndezur dhe heqim varësinë e rrymës së anodës I dhe nga tensioni i anodës U a- karakteristikë e rrymës-tensionit(Fig. 153), rezulton se nuk është linear, domethënë për një diodë vakum, ligji i Ohmit nuk është i kënaqur. Varësia e rrymës termionike I nga tensioni i anodës në rajonin e vogël

vlerat pozitive U përshkruar ligji i tre sekondave(themeluar nga fizikani rus S. A. Boguslavsky (1883-1923) dhe fizikani amerikan I. Langmuir (1881 - 1957)):

I=B.U. 3/2 ,

Ku NE - koeficienti në varësi të formës dhe madhësisë së elektrodave, si dhe pozicionit të tyre relativ.

Me rritjen e tensionit të anodës, rryma rritet në një vlerë të caktuar maksimale Ius, e quajtur rryma e ngopjes. Kjo do të thotë se pothuajse të gjitha elektronet që largohen nga katoda arrijnë në anodë, kështu që një rritje e mëtejshme e forcës së fushës nuk mund të çojë në një rritje të rrymës termionike. Rrjedhimisht, dendësia e rrymës së ngopjes karakterizon emetueshmërinë e materialit katodik.

Përcaktohet dendësia e rrymës së ngopjes Richardson - formula Deshman, nxirret teorikisht në bazë të statistikave kuantike:

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

Ku A - funksioni i punës së elektroneve që largohen nga katoda, T - temperatura termodinamike, ME- konstante, teorikisht e njëjtë për të gjitha metalet (kjo nuk konfirmohet nga eksperimenti, i cili me sa duket shpjegohet nga efektet sipërfaqësore). Një rënie në funksionin e punës çon në një rritje të mprehtë të densitetit të rrymës së ngopjes. Prandaj, përdoren katoda oksidi (për shembull, nikeli i veshur me një oksid metali alkaline tokësor), funksioni i punës i të cilit është 1 -1,5 eV.

Në Fig. 153 tregon karakteristikat e tensionit aktual për dy temperaturat e katodës: T 1 Dhe T 2 , dhe T 2 >T 1 . Me rritjen e temperaturës së katodës, emetimi i elektroneve nga katoda bëhet më intensiv dhe rryma e ngopjes gjithashtu rritet. Në U a = 0, vërehet një rrymë anode, d.m.th., disa elektrone të emetuara nga katoda kanë energji të mjaftueshme për të kapërcyer funksionin e punës dhe për të arritur në anodë pa aplikuar një fushë elektrike.

Fenomeni i emetimit termionik përdoret në pajisjet në të cilat është e nevojshme të merret një rrjedhë elektronesh në vakum, për shembull në tuba vakumi, tubat me rreze X, mikroskopët elektron, etj. Tubat elektronikë përdoren gjerësisht në inxhinierinë elektrike dhe radio. , automatizimi dhe telemekanika për korrigjimin e rrymave alternative, amplifikimin e sinjaleve elektrike dhe rrymave alternative, gjenerimin e lëkundjeve elektromagnetike, etj. Në varësi të qëllimit, në llamba përdoren elektroda kontrolli shtesë.

2. Emetimi i fotoelektronit - Ky është emetimi i elektroneve nga një metal nën ndikimin e dritës, si dhe rrezatimi elektromagnetik me valë të shkurtër (për shembull, rrezet X). Parimet kryesore të këtij fenomeni do të diskutohen kur merret parasysh efekti fotoelektrik.

3. Emetimi sekondar i elektroneve - Ky është emetimi i elektroneve nga sipërfaqja e metaleve, gjysmëpërçuesve ose dielektrikëve kur bombardohen me një rreze elektronesh. Rrjedha e elektroneve sekondare përbëhet nga elektrone të reflektuara nga sipërfaqja (elektrone të reflektuara në mënyrë elastike dhe joelastike), dhe elektrone sekondare "të vërteta" - elektrone të rrëzuara nga metali, gjysmëpërçuesi ose dielektrik nga elektronet parësore.

Raporti i numrit të elektroneve dytësore n 2 në numrin e parësore n 1 , që shkakton emetimin quhet Koeficienti i emetimit sekondar të elektroneve:

=n 2 / n 1 .

Koeficienti b varet nga natyra e materialit sipërfaqësor, energjia e grimcave të bombardimit dhe këndi i tyre i rënies në sipërfaqe. Gjysmëpërçuesit dhe dielektrikët kanë më shumë b se metalet. Kjo shpjegohet me faktin se në metalet ku përqendrimi i elektroneve përçuese është i lartë, elektronet dytësore, shpesh duke u përplasur me to, humbasin energjinë e tyre dhe nuk mund të largohen nga metali. Në gjysmëpërçuesit dhe dielektrikët, për shkak të përqendrimit të ulët të elektroneve përçuese, përplasjet e elektroneve dytësore me to ndodhin shumë më rrallë dhe probabiliteti i largimit të elektroneve dytësore nga emetuesi rritet disa herë.

Për shembull në Fig. 154 tregon varësinë cilësore të koeficientit dytësor të emetimit të elektroneve b nga energjia E elektronet rënëse për KCl. Me rritjen e energjisë së elektroneve, b rritet, pasi elektronet parësore depërtojnë më thellë në rrjetën kristalore dhe, për rrjedhojë, nxjerrin më shumë elektrone dytësore. Megjithatë, në një energji të caktuar të elektroneve primare 6 fillon të ulet. Kjo për faktin se me rritjen e thellësisë së depërtimit të elektroneve parësore, bëhet gjithnjë e më e vështirë që elektronet sekondare të dalin në sipërfaqe. Vlera e max për KCl arrin 12 (për metalet e pastra nuk kalon 2).

Fenomeni i emetimit sekondar të elektroneve përdoret në tubat e fotoshumëzuesit(PMT), përdoret për të përforcuar rrymat e dobëta elektrike. Fotoshumëzuesi është një tub vakum me një fotokatodë K dhe anodë A, midis të cilave ka disa elektroda - emetuesit(Fig. 155). Elektronet e nxjerra nga fotokatoda nën ndikimin e dritës hyjnë në emetuesin E 1, duke kaluar përmes ndryshimit të potencialit përshpejtues midis K dhe E 1.  elektronet janë rrëzuar nga emetuesi E 1. Forcuar në këtë mënyrë

rrjedha e elektroneve drejtohet në emetuesin E2 dhe procesi i shumëzimit përsëritet në të gjithë emetuesit pasues. Nëse PMT përmban n emetuesit, pastaj në anodin A, të thirrur koleksionist, Rezultati është një rrymë fotoelektroni e përforcuar me 6 herë.

4. Emetimet autoelektronike - Ky është emetimi i elektroneve nga sipërfaqja e metaleve nën ndikimin e një fushe të fortë elektrike të jashtme. Këto dukuri mund të vërehen në një tub të evakuuar, konfigurimi i elektrodave të të cilit (katoda - maja, anoda - sipërfaqja e brendshme e tubit) lejon që në tensione afërsisht 10 3 V, të përftohen fusha elektrike me forcë afërsisht 10. 7 V / m. Me një rritje graduale të tensionit, tashmë në një forcë fushe në sipërfaqen e katodës prej afërsisht 10 5 -10 6 V / m, një rrymë e dobët lind për shkak të elektroneve të emetuara nga katoda. Fuqia e kësaj rryme rritet me rritjen e tensionit nëpër tub. Rrymat lindin kur katoda është e ftohtë, kështu që quhet edhe fenomeni i përshkruar emetim i ftohtë. Një shpjegim i mekanizmit të këtij fenomeni është i mundur vetëm në bazë të teorisë kuantike.

Elektronet e përcjelljes në një metal janë në lëvizje të rastësishme. Elektronet që lëvizin më shpejt, të cilat kanë një energji kinetike mjaft të madhe, mund të ikin nga metali në hapësirën përreth. Në të njëjtën kohë, ata kryejnë punë si kundër forcave tërheqëse nga ngarkesa e tepërt pozitive që lind në metal si rezultat i emetimit të tyre, ashtu edhe kundër forcave refuzuese nga elektronet e emetuara më parë, duke formuar një "re" elektronike pranë sipërfaqes së dirigjenti. Është vendosur një ekuilibër dinamik midis gazit elektronik në metal dhe "resë" së elektronit. Puna që duhet bërë për të hequr një elektron nga një metal në vakum quhet funksioni i punës. Është e barabartë me , ku e është ngarkesa e elektronit dhe është potenciali i daljes. Funksioni i punës prodhohet nga elektronet - për shkak të një rënie në energjinë e tyre kinetike. Prandaj, është e qartë se elektronet që lëvizin ngadalë nuk mund të shpëtojnë nga metali. Funksioni i punës varet nga natyra kimike e metalit dhe gjendja e ndotjes së tij, etj. Për metalet e pastra, funksioni i punës ndryshon brenda disa elektron volt. Një elektron përçues mund të largohet nga çdo metal nëse energjia e tij tejkalon funksionin e punës A të elektronit nga metali. Fenomeni i elektroneve që emetohen nga metalet e nxehta quhet emetim termionik.

Përqendrimi i elektroneve përçuese në metal është shumë i lartë; shpejtësitë e tyre termike në një temperaturë të caktuar janë të ndryshme dhe të shpërndara, sipas koncepteve klasike, në përputhje me ligjin e Maxwell-it. Kjo do të thotë që edhe në temperatura mesatare në metal ka një numër mjaft të madh elektronesh përcjellëse që mund të kryejnë funksionin e punës dhe të fluturojnë jashtë metalit. Në këtë rast, funksioni i punës është i barabartë me uljen e energjisë kinetike

ku m, e janë masa dhe ngarkesa e elektronit, përkatësisht, dhe janë shpejtësitë e elektronit para dhe pas largimit nga metali. Në temperaturat e zakonshme, numri i elektroneve me shpejtësi të mjaftueshme për të ikur është shumë i vogël. Ka disa mënyra për t'u dhënë energji shtesë elektroneve të nevojshme për t'i hequr ato nga metali: ngrohja e përcjellësit (emetimi termionik); rrezatimi i metaleve me dritë të dukshme dhe ultravjollcë (emetim fotoelektroni); ekspozimi ndaj një fushe elektrike të jashtme përshpejtuese (emetim në terren ose emetim i ftohtë); bombardimi i një metali me elektrone ose jone.

Për të marrë një rrjedhë të konsiderueshme të elektroneve, i ashtuquajturi emetues nxehet në temperatura të rendit 2000÷2500 K.

Për të studiuar emetimin termionik, mund të përdorni një instalim të përbërë nga dy elektroda - anoda A dhe katoda K, të cilat vendosen në vakum (Fig. 18.1). Katoda është bërë në formën e një fije, anoda - në formën e një cilindri koaksial. Katoda, e cila është një burim elektronesh, nxehet duke përdorur një bateri speciale inkandeshente Bn.

Bateria e anodës Ba shërben për të krijuar një fushë elektrike Evn midis katodës dhe anodës. Kur filamenti nxehet, shfaqet një re elektronike, e cila mban një ngarkesë negative. Si rezultat i ndezjes së anodës Ba të baterisë, rrjedha e elektroneve fillon të lëvizë midis katodës dhe anodës, d.m.th. Rryma elektrike fillon të rrjedhë në qark. Forca aktuale varet nga temperatura e filamentit,

tensioni Ua që krijon bateria e anodës, materiali i katodës dhe gjeometria e elektrodave. Varësia e rrymës së anodës e regjistruar nga galvanometri G nga tensioni i anodës I=f(Ua) quhet karakteristikë rrymë-tension e instalimit.

Kjo karakteristikë mund të hiqet eksperimentalisht duke mbajtur konstante tensionin e filamentit dhe duke ndryshuar tensionin Ua (Fig. 18.2). Në këtë karakteristikë të tensionit aktual mund të dallohen tre zona. Rajoni I korrespondon me rastin kur një diferencë potenciale vonuese aplikohet në elektroda (poli negativ i baterisë është i lidhur me anodën), d.m.th. fusha E ngadalëson elektronet. Megjithatë, rryma ende rrjedh në qark sepse disa nga elektronet që ikin nga filamenti i nxehtë kanë energji të mjaftueshme për të kapërcyer diferencën e potencialit ngadalësues. Kjo pjesë e karakteristikës së tensionit aktual quhet "kurba e vonesës". Përveç fushës elektrike Evn të krijuar nga bateria e anodës, midis katodës dhe anodës fusha ekzistuese është për shkak të paraqitjes së saj nga elektronet fluturuese. Elektronet që lëvizin nga katoda në anodë krijojnë një ngarkesë të caktuar hapësinore, e cila bën që një fushë elektrike Eob të ngadalësojë elektronet ndërsa largohen nga katoda dhe t'i përshpejtojë ato ndërsa i afrohen anodës. Ndërsa diferenca potenciale Ua rritet, fusha E0b do të ulet. Prandaj, një numër në rritje i elektroneve do të arrijë në anodë dhe forca aktuale do të rritet (rajoni II).

Në një vlerë të caktuar të ndryshimit potencial U a =U 0, fusha totale E në + E rreth në katodë bëhet e barabartë me zero. Në këtë rast, të gjitha elektronet që ikin nga katoda në një temperaturë të caktuar do të arrijnë në anodë. Prandaj, një rritje e mëtejshme e tensionit Ua nuk do të çojë në një rritje të rrymës së anodës I. Forca e rrymës do të bëhet konstante (rajoni III). Kjo rrymë quhet rrymë e ngopjes. Fuqia e rrymës së ngopjes, duke qenë të tjera të barabarta, varet nga temperatura e emetuesit. Varësia e densitetit të rrymës së ngopjes jH nga temperatura absolute T përshkruhet në mënyrë të kënaqshme nga formula Richardson-Dashman.

(18.7)

ku është koeficienti mesatar i reflektimit të elektroneve nga kufiri emetues-vakum, B është një konstante në varësi të materialit të katodës, A është funksioni i punës së elektroneve, k është konstanta e Boltzmann-it.