Bakırın çalışma fonksiyonu. Richardson düz çizgi yöntemi kullanılarak bir metalden elektronun iş fonksiyonunun belirlenmesi

Deneyimlerin gösterdiği gibi, normal sıcaklıklarda serbest elektronlar pratikte metali terk etmez. Sonuç olarak, metalin yüzey katmanında, elektronların metalden çevredeki boşluğa kaçmasını önleyen, geciktirici bir elektrik alanı bulunmalıdır. Bir metalden bir elektronun boşluğa çıkarılması için yapılması gereken işe denir. çalışma fonksiyonu.İki tanesini belirtelim olası nedenlerçalışma fonksiyonunun görünümü:

1. Herhangi bir nedenle bir metalden bir elektron çıkarılırsa, elektronun kaldığı yerde aşırı bir pozitif yük ortaya çıkar ve elektron, kendisinin indüklediği pozitif yüke çekilir.

2. Metalden ayrılan bireysel elektronlar, atomik sıradaki mesafelerde ondan uzaklaşır ve böylece metal yüzeyinin üzerinde yoğunluğu mesafeyle hızla azalan bir "elektron bulutu" oluşturur. Bu bulut, kafesin pozitif iyonların dış katmanıyla birlikte oluşur. elektrikli çift katmanlı, alanı paralel plakalı bir kapasitörün alanına benzer. Bu katmanın kalınlığı birkaç atomlar arası mesafeye (10 -10 - 10 -9 m) eşittir. Dış uzayda elektrik alanı oluşturmaz ancak serbest elektronların metalden kaçmasını engeller.

Bu nedenle, bir elektron metali terk ettiğinde kendisini geciktiren çift tabakanın elektrik alanını aşmak zorundadır. Bu katmandaki potansiyel farkı  olarak adlandırılır. yüzey potansiyeli sıçraması, iş fonksiyonu tarafından belirlenir (A) metalden elektron:

Nerede e- elektron yükü. Çift katmanın dışında elektrik alanı olmadığından ortamın potansiyeli sıfıra eşit ve metalin içindeki potansiyel pozitiftir ve 'ye eşittir. Bir metalin içindeki serbest elektronun potansiyel enerjisi - e'ye eşittir ve boşluğa göre negatiftir. Buna dayanarak şunları yapabilirsiniz

İş fonksiyonu şu şekilde ifade edilir: elektron volt(eV): 1 eV işe eşit 1 V'luk bir potansiyel farkından geçen temel bir elektrik yükünü (bir elektronun yüküne eşit bir yük) hareket ettirirken alan kuvvetleri tarafından gerçekleştirilir. Bir elektronun yükü 1,6 10 -19 C olduğundan, 1 eV = 1,6 10 -1 9 J.

İş fonksiyonu şunlara bağlıdır: kimyasal doğa metaller ve yüzeylerinin saflığı birkaç elektron volt arasında dalgalanır (örneğin, potasyum için A = 2,2 eV, platin için A = 6,3 eV). Yüzey kaplamasını belirli bir şekilde seçerek iş çıktısını önemli ölçüde azaltabilirsiniz. Örneğin yüzeye tungsten uygularsanız (A=4,5 eV) alkalin toprak metal oksit (Ca, Sr, Ba) katmanı, bu durumda iş fonksiyonu 2 eV'ye düşer.

§ 105. Emisyon olayları ve uygulamaları

Metallerdeki elektronlara iş fonksiyonunun üstesinden gelmek için gerekli enerjiyi sağlarsak, o zaman elektronların bir kısmı metali terk edebilir, bu da elektron emisyonu olgusuna neden olur veya elektronik emisyon. Elektronlara enerji verme yöntemine bağlı olarak termiyonik, fotoelektronik, ikincil elektron ve alan emisyonu ayırt edilir.

1. Termiyonik emisyon - Bu, ısıtılan metallerin elektron emisyonudur. Metallerdeki serbest elektronların konsantrasyonu oldukça yüksektir, bu nedenle ortalama sıcaklıklarda bile elektron hızlarının (enerji) dağılımı nedeniyle bazı elektronlar metal sınırındaki potansiyel bariyeri aşmak için yeterli enerjiye sahiptir. Artan sıcaklıkla birlikte, termal hareketin kinetik enerjisi iş fonksiyonundan daha büyük olan elektronların sayısı artar ve termiyonik emisyon olgusu fark edilir hale gelir.

Termiyonik emisyon yasalarının incelenmesi, en basit iki elektrotlu lamba kullanılarak gerçekleştirilebilir - vakum diyotu, iki elektrot içeren içi boşaltılmış bir silindirdir: bir katot İLE ve anot A. En basit durumda katot, elektrik akımıyla ısıtılan, refrakter bir metalden (örneğin tungsten) yapılmış bir filamandır. Anot çoğunlukla katodu çevreleyen metal bir silindir şeklini alır. Diyot devreye Şekil 2'de gösterildiği gibi bağlanırsa. 152, daha sonra katot ısıtıldığında ve anoda (katoda göre) pozitif bir voltaj uygulandığında, diyotun anot devresinde bir akım ortaya çıkar. B a pilinin polaritesini değiştirirseniz, katot ne kadar ısıtılırsa ısıtılsın akım durur. Bu nedenle katot yayar negatif parçacıklar- elektronlar.

Isıtılan katodun sıcaklığını sabit tutarsak ve anot akımına bağımlılığı ortadan kaldırırsak BEN ve anot voltajından sen A- akım-gerilim karakteristiği(Şekil 153), doğrusal olmadığı, yani bir vakum diyotu için Ohm yasasının karşılanmadığı ortaya çıktı. Termiyonik akımın bağımlılığı BEN küçük bölgedeki anot voltajından

pozitif değerler sen tarif edildi üç saniye kanunu(Rus fizikçi S. A. Boguslavsky (1883-1923) tarafından kuruldu ve Amerikalı fizikçi I. Langmuir (1881 - 1957)):

BEN=B.U. 3/2 ,

Nerede İÇİNDE - elektrotların şekline ve boyutuna ve ayrıca göreceli konumlarına bağlı olarak katsayı.

Anot voltajı arttıkça akım belirli bir maksimum değere (Ius) yükselir. doygunluk akımı. Bu, katodu terk eden elektronların neredeyse tamamının anoda ulaştığı anlamına gelir; dolayısıyla alan kuvvetinde daha fazla bir artış, termiyonik akımda bir artışa yol açamaz. Sonuç olarak, doyma akım yoğunluğu katot malzemesinin emisyonunu karakterize eder.

Doyma akım yoğunluğu belirlenir Richardson-Deshman formülü, kuantum istatistiklerine dayanarak teorik olarak türetilmiştir:

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

Nerede A - Katottan ayrılan elektronların iş fonksiyonu, T - termodinamik sıcaklık, İLE- sabit, teorik olarak tüm metaller için aynı (bu, görünüşe göre yüzey etkileriyle açıklanan deneyle doğrulanmadı). İş fonksiyonundaki bir azalma, doyma akım yoğunluğunda keskin bir artışa yol açar. Bu nedenle, iş fonksiyonu 1-1,5 eV olan oksit katotlar kullanılır (örneğin, alkalin toprak metal oksitle kaplanmış nikel).

Şek. Şekil 153, iki katot sıcaklığı için akım-gerilim özelliklerini gösterir: T 1 Ve T 2 , Ve T 2 >T 1 . Katot sıcaklığı arttıkça katottan elektron emisyonu daha yoğun hale gelir ve doyma akımı da artar. Şu tarihte: sen a =0, bir anot akımı gözlenir, yani katot tarafından yayılan bazı elektronlar, iş fonksiyonunun üstesinden gelmek ve bir elektrik alanı uygulamadan anoda ulaşmak için yeterli enerjiye sahiptir.

Termoiyonik emisyon olgusu, örneğin vakum tüpleri, X-ışını tüpleri, elektron mikroskopları vb. gibi vakumda bir elektron akışı elde etmenin gerekli olduğu cihazlarda kullanılır. Elektron tüpleri elektrik ve radyo mühendisliğinde yaygın olarak kullanılır. alternatif akımları düzeltmek, elektrik sinyallerini ve alternatif akımları güçlendirmek, elektromanyetik salınımlar oluşturmak vb. İçin otomasyon ve telemekanik. Amaca bağlı olarak, lambalarda ek kontrol elektrotları kullanılır.

2. Fotoelektron emisyonu - kısa dalga boyunun yanı sıra ışığın etkisi altında bir metalden elektron emisyonudur elektromanyetik radyasyon(örneğin, röntgen). Bu olgunun temel prensipleri fotoelektrik etki ele alınırken tartışılacaktır.

3. İkincil elektron emisyonu - Bu, bir elektron ışınıyla bombardıman edildiğinde metallerin, yarı iletkenlerin veya dielektriklerin yüzeyinden elektronların emisyonudur. İkincil elektron akışı, yüzey tarafından yansıtılan elektronlardan (elastik ve elastik olmayan şekilde yansıtılan elektronlar) ve "gerçek" ikincil elektronlardan - birincil elektronlar tarafından metalden, yarı iletkenden veya dielektrikten çıkan elektronlardan oluşur.

İkincil elektron sayısı oranı N 2 üzeri birincil sayı N 1 , emisyona neden olan şeye denir ikincil elektron emisyon katsayısı:

=n 2 / N 1 .

Katsayı b, yüzey malzemesinin doğasına, bombardıman parçacıklarının enerjisine ve yüzeye geliş açısına bağlıdır. Yarı iletkenler ve dielektrikler metallerden daha fazla b içerir. Bu, iletim elektronlarının konsantrasyonunun yüksek olduğu metallerde, ikincil elektronların sıklıkla onlarla çarpışarak enerjilerini kaybetmeleri ve metali terk edememeleri ile açıklanmaktadır. Yarı iletkenlerde ve dielektriklerde, iletken elektronların düşük konsantrasyonu nedeniyle, ikincil elektronların onlarla çarpışması çok daha az meydana gelir ve ikincil elektronların yayıcıdan ayrılma olasılığı birkaç kat artar.

Örneğin Şekil 2'de. 154, ikincil elektron emisyon katsayısı b'nin enerjiye niteliksel bağımlılığını gösterir e KCl için olay elektronları. Artan elektron enerjisiyle b artar, çünkü birincil elektronlar kristal kafesin daha derinlerine nüfuz eder ve bu nedenle daha fazla ikincil elektronu devre dışı bırakır. Ancak belli bir seviyeye gelindiğinde birincil elektronların 6 enerjisi azalmaya başlar. Bunun nedeni, birincil elektronların nüfuz derinliği arttıkça ikincil elektronların yüzeye kaçmasının giderek zorlaşmasıdır. KCl için max değeri 12'ye ulaşır (saf metaller için 2'yi aşmaz).

İkincil elektron emisyonu olgusu, fotoçoğaltıcı tüpler(PMT), zayıf elektrik akımlarını yükseltmek için kullanılır. Fotoçoğaltıcı, aralarında birkaç elektrot bulunan bir fotokatot K ve anot A'ya sahip bir vakum tüpüdür - yayıcılar(Şekil 155). Işığın etkisi altında fotokatottan çıkan elektronlar, K ve E1 arasındaki hızlanan potansiyel farkından geçerek yayıcı E1'e girer.  elektronları yayıcı E1'den dışarı atılır. Bu şekilde güçlendirildi

elektron akışı yayıcı E2'ye yönlendirilir ve çarpma işlemi sonraki tüm yayıcılarda tekrarlanır. PMT şunları içeriyorsa N yayıcılar, daha sonra anot A'da çağrılır kolektör, Sonuç, 6 kat güçlendirilmiş bir fotoelektron akımıdır.

4. Otoelektronik emisyonlar - Bu, güçlü bir dış elektrik alanının etkisi altında metallerin yüzeyinden elektronların emisyonudur. Bu olay, elektrotların konfigürasyonu (katot - uç, anot - tüpün iç yüzeyi), yaklaşık 10 3 V'luk voltajlarda, yaklaşık 10 V'luk bir kuvvete sahip elektrik alanları elde etmeye izin veren, boşaltılmış bir tüpte gözlemlenebilir. 7V/m. Katot yüzeyinde zaten yaklaşık 10 5 - 10 6 V/m'lik bir alan gücünde olan voltajdaki kademeli bir artışla, katot tarafından yayılan elektronlar nedeniyle zayıf bir akım ortaya çıkar. Bu akımın gücü, tüpteki voltajın artmasıyla artar. Katot soğuk olduğunda akımlar ortaya çıkar, bu nedenle açıklanan olaya aynı zamanda denir. soğuk emisyon. Bu olgunun mekanizmasının açıklanması ancak kuantum teorisi temelinde mümkündür.

Deneyimlerin gösterdiği gibi, normal sıcaklıklarda serbest elektronlar pratikte metali terk etmez. Sonuç olarak, metalin yüzey katmanında, elektronların metalden çevredeki boşluğa kaçmasını önleyen, geciktirici bir elektrik alanı bulunmalıdır. Bir metalden bir elektronun boşluğa çıkarılması için yapılması gereken işe denir. çalışma fonksiyonu.İş fonksiyonunun ortaya çıkmasının iki olası nedenini belirtelim:

1. Herhangi bir nedenle bir metalden bir elektron çıkarılırsa, elektronun kaldığı yerde aşırı bir pozitif yük ortaya çıkar ve elektron, kendisinin indüklediği pozitif yüke çekilir.

Nerede e- elektron yükü. Çift tabakanın dışında elektrik alanı olmadığından ortamın potansiyeli sıfırdır, metalin içindeki potansiyel ise pozitif ve 'ye eşittir. Bir metalin içindeki serbest elektronun potansiyel enerjisi - e'ye eşittir ve boşluğa göre negatiftir. Buna dayanarak şunları yapabilirsiniz

İş fonksiyonu şu şekilde ifade edilir: elektron volt(eV): 1 eV, temel bir elektrik yükünü (bir elektronun yüküne eşit bir yük) 1 V'luk bir potansiyel farkından geçerken hareket ettirirken alan kuvvetlerinin yaptığı işe eşittir. Bir elektronun yükü 1,6 10 -19 C, sonra 1 eV = 1,6 10 -1 9 J.

İş fonksiyonu metallerin kimyasal yapısına ve yüzeylerinin temizliğine bağlıdır ve birkaç elektron volt aralığında değişir (örneğin, potasyum için A = 2,2 eV, platin için A = 6,3 eV). Yüzey kaplamasını belirli bir şekilde seçerek iş çıktısını önemli ölçüde azaltabilirsiniz. Örneğin yüzeye tungsten uygularsanız (A=4,5 eV) alkalin toprak metal oksit (Ca, Sr, Ba) katmanı, bu durumda iş fonksiyonu 2 eV'ye düşer.

§ 105. Emisyon olayları ve uygulamaları

Termiyonik emisyon yasalarının incelenmesi, en basit iki elektrotlu lamba kullanılarak gerçekleştirilebilir - vakum diyotu, iki elektrot içeren içi boşaltılmış bir silindirdir: bir katot İLE ve anot A. En basit durumda katot, elektrik akımıyla ısıtılan, refrakter bir metalden (örneğin tungsten) yapılmış bir filamandır. Anot çoğunlukla katodu çevreleyen metal bir silindir şeklini alır. Diyot devreye Şekil 2'de gösterildiği gibi bağlanırsa. 152, daha sonra katot ısıtıldığında ve anoda (katoda göre) pozitif bir voltaj uygulandığında, diyotun anot devresinde bir akım ortaya çıkar. B a pilinin polaritesini değiştirirseniz, katot ne kadar ısıtılırsa ısıtılsın akım durur. Sonuç olarak, katot negatif parçacıklar - elektronlar yayar.

pozitif değerler sen tarif edildi üç saniye kanunu(Rus fizikçi S. A. Boguslavsky (1883-1923) ve Amerikalı fizikçi I. Langmuir (1881 - 1957) tarafından kurulmuştur):

BEN=B.U. 3/2 ,

Nerede İÇİNDE - elektrotların şekline ve boyutuna ve ayrıca göreceli konumlarına bağlı olarak katsayı.

Doyma akım yoğunluğu belirlenir Richardson-Deshman formülü, kuantum istatistiklerine dayanarak teorik olarak türetilmiştir:

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

2. Fotoelektron emisyonu - Bu, ışığın yanı sıra kısa dalga elektromanyetik radyasyonun (örneğin X ışınları) etkisi altında bir metalden elektronların emisyonudur. Bu olgunun temel prensipleri fotoelektrik etki ele alınırken tartışılacaktır.

İkincil elektron sayısı oranı N 2 üzeri birincil sayı N 1 , emisyona neden olan şeye denir ikincil elektron emisyon katsayısı:

=n 2 / N 1 .

1) Elektron iş fonksiyonu formülü

Metaller, oluşturan iletken elektronları içerir. elektron gazı ve termal harekete katılmak. İletim elektronları metalin içinde tutulduğu için yüzeye yakın yerlerde elektronlara etki eden ve metale yönlendirilen kuvvetler vardır. Bir elektronun metali sınırlarının dışına çıkarabilmesi için, bu kuvvetlere karşı belirli bir miktarda A işi yapılması gerekir ki buna denir. elektron iş fonksiyonu metalden yapılmıştır. Bu çalışma doğal olarak farklı metaller için farklıdır.

Bir metalin içindeki elektronun potansiyel enerjisi sabittir ve şuna eşittir:

Wp = -eφ , burada j metalin içindeki elektrik alan potansiyelidir.

Bir elektron yüzeyden geçtiğinde elektron katmanı potansiyel enerji iş fonksiyonu ile hızla azalır ve metalin dışında sıfır olur. Bir metal içindeki elektron enerjisinin dağılımı potansiyel kuyusu olarak gösterilebilir.

Yukarıda tartışılan yorumda elektron iş fonksiyonu, potansiyel kuyusunun derinliğine eşittir;

Bu sonuç, klasik elektron teorisi metallerdeki elektronların hızının Maxwell dağılım yasasına uyduğu ve mutlak sıfır sıcaklıkta sıfıra eşit olduğu varsayılır. Ancak gerçekte iletim elektronları Fermi-Dirac kuantum istatistiklerine uyar. mutlak sıfır elektronların hızı ve buna bağlı olarak enerjileri sıfırdan farklıdır.

Elektronların mutlak sıfırda sahip olduğu maksimum enerji değerine Fermi enerjisi E F denir. Kuantum teorisi Bu istatistiklere dayanan metallerin iletkenliği, iş fonksiyonunun farklı bir yorumunu verir. Elektron iş fonksiyonu Bir metalden gelen potansiyel bariyerin yüksekliği eφ ile Fermi enerjisi arasındaki farka eşittir.

A çıkış = eφ" - E F

burada φ" metal içindeki elektrik alan potansiyelinin ortalama değeridir.

2) Metalden ayrılan elektronların iş fonksiyonu- Bir elektronu metalden boşluğa çıkarmak için yapılması gereken iş. İşin işlevi metallerin kimyasal yapısına ve yüzeylerinin temizliğine bağlıdır. Yüzey kaplamasını belirli bir şekilde seçerek işin işlevini önemli ölçüde değiştirebilirsiniz.

İş fonksiyonu elektron volt (eV) cinsinden ifade edilir : 1eV, temel bir elektrik yükünü 1V potansiyel farkı olan noktalar arasında hareket ettirirken alan kuvvetlerinin yaptığı işe eşittir. Çünkü e~1,610–19 C, sonra 1eV=1,610–19 J.

Elektronik emisyon - Elektronlara iş fonksiyonuna eşit veya daha büyük bir enerji verildiğinde metallerden elektron emisyonu olgusu.

1. Termiyonik emisyon- ısıtılmış metaller tarafından elektron emisyonu. Bir kullanım örneği vakum tüpleridir.

2. Fotoelektron emisyonu- elektromanyetik radyasyonun etkisi altında bir metalden elektron emisyonu. Bir kullanım örneği fotoğraf sensörleridir.

3. İkincil elektron emisyonu- Bir elektron ışınıyla bombardıman edildiğinde metallerin, yarı iletkenlerin veya dielektriklerin yüzeyinden elektron emisyonu. İkincil elektron sayısı oranı N 2 üzeri birincil sayı N Emisyona neden olan 1'in adı ikincil elektron emisyon faktörü: N 2 N 1. Bir kullanım örneği fotoçoğaltıcı tüplerdir.

4. Araç emisyonu- güçlü bir dış elektrik alanının etkisi altında metallerin yüzeyinden elektron emisyonu.

5 Soru. Elektrik akımı vakumda (bir vakum diyotunun akım-gerilim özelliklerinin açıklaması).

Vakum nedir?
- bu, neredeyse hiç molekül çarpışmasının olmadığı bir gazın seyrekleşme derecesidir;

Elektrik akımı mümkün değil çünkü olası miktar iyonize moleküller elektriksel iletkenlik sağlayamaz;
- yüklü parçacık kaynağı kullanırsanız vakumda elektrik akımı oluşturmak mümkündür;
- yüklü parçacık kaynağının etkisi termiyonik emisyon olgusuna dayanabilir.

Termiyonik emisyon
- karşılık gelen sıcaklıklara ısıtıldığında katı veya sıvı cisimler tarafından elektron emisyonu görünür parlaklık sıcak metal.
Isıtılan metal elektrot sürekli olarak elektron yayarak kendi etrafında bir elektron bulutu oluşturur.
İÇİNDE denge durumu Elektrodu terk eden elektronların sayısı ona geri dönen elektronların sayısına eşittir (çünkü elektronlar kaybolduğunda elektrot pozitif yüklü hale gelir).
Metalin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, elektron bulutunun yoğunluğu da o kadar yüksek olur.

Vakum diyotu
Vakum tüplerinde vakumda elektrik akımı mümkündür.
Vakum tüpü termiyonik emisyon olgusunu kullanan bir cihazdır.

Bir vakum diyotu iki elektrotlu (A - anot ve K - katot) bir elektron tüpüdür.
Cam kabın içinde çok düşük basınç oluşur

H - filamanı ısıtmak için katodun içine yerleştirilir. Isıtılan katodun yüzeyi elektron yayar. Anot akım kaynağının + ucuna ve katot - ucuna bağlanırsa devre akar
sabit termiyonik akım. Vakum diyotu tek yönlü iletkenliğe sahiptir.
Onlar. Anot potansiyelinin katot potansiyelinden yüksek olması durumunda anottaki akımın gerçekleşmesi mümkündür. Bu durumda elektron bulutundaki elektronlar anoda çekilerek boşlukta bir elektrik akımı oluşturulur.

Bir vakum diyotunun akım-gerilim karakteristiği.

Düşük anot gerilimlerinde katottan yayılan elektronların tümü anoda ulaşmaz ve elektrik akımı küçüktür. Yüksek voltajlarda akım doyuma ulaşır, yani. maksimum değer.
Düzeltme için vakum diyotu kullanılır klima.
Diyot doğrultucunun girişindeki akım:

Doğrultucu çıkış akımı:

Elektron ışınları
vakum tüplerinde ve gaz boşaltma cihazlarında hızla uçan elektronların akışıdır.
Elektron ışınlarının özellikleri:
- elektrik alanlarında sapma;
- sapmak manyetik alanlar Lorentz kuvvetinin etkisi altında;
- Bir maddeye gelen ışın yavaşlatıldığında, x-ışını radyasyonu;
- bazı katı ve sıvıların (luminoforlar) parlamasına (ışıldamasına) neden olur;
- Maddeyi temas ettirerek ısıtın.

Katot ışın tüpü (CRT)
- Termiyonik emisyon olgusu ve elektron ışınlarının özellikleri kullanılır.

Bir CRT bir elektron tabancası, yatay ve dikey saptırıcılardan oluşur
elektrot plakaları ve ekran.
Bir elektron tabancasında, ısıtılmış bir katot tarafından yayılan elektronlar, kontrol ızgarası elektrotundan geçer ve anotlar tarafından hızlandırılır. Elektron tabancası, elektron ışınını bir noktaya odaklar ve ekrandaki ışığın parlaklığını değiştirir. Yatay ve dikey plakaları saptırmak, ekrandaki elektron ışınını ekranın herhangi bir noktasına hareket ettirmenizi sağlar. Tüp ekranı, elektron bombardımanına uğradığında parlamaya başlayan bir fosforla kaplanmıştır.
İki tip tüp vardır:
1) elektron ışınının elektrostatik kontrolü ile (elektrik ışınının yalnızca elektrik alanı tarafından saptırılması);
2) elektromanyetik kontrollü (manyetik saptırma bobinleri eklenir).
CRT'nin ana uygulamaları:
televizyon ekipmanlarındaki resim tüpleri;
bilgisayar ekranları;
Ölçüm teknolojisinde elektronik osiloskoplar.

6 Soru. Gazlardaki elektrik akımı (bir gaz deşarjının voltaj-voltaj özellikleri). Bağımsız olmayan ve bağımsız kategori.

Normal koşullar altında gaz bir dielektriktir, yani. nötr atom ve moleküllerden oluşur ve içermez özgür medya elektrik akımı
İletken gaz iyonize bir gazdır. İyonize gaz elektron-iyon iletkenliğine sahiptir.

Hava, güç hatlarında, hava kapasitörlerinde ve kontak anahtarlarında bir dielektriktir.

Yıldırım oluştuğunda hava iletkendir. elektrik kıvılcımı, bir kaynak arkı oluştuğunda.

Gaz iyonizasyonu

nötr atom veya moleküllerin, atomlardan elektronların uzaklaştırılması yoluyla pozitif iyonlara ve elektronlara parçalanmasıdır. İyonlaşma, bir gazın ısıtılması veya radyasyona (UV, X-ışınları, radyoaktif) maruz bırakılması durumunda meydana gelir ve yüksek hızlardaki çarpışmalar sırasında atomların ve moleküllerin parçalanmasıyla açıklanır.

Gaz deşarjı
- bu iyonize gazlardaki elektrik akımıdır.
Yük taşıyıcıları pozitif iyonlar ve elektronlardır. Gaz deşarj tüplerinde (lambalarda) elektrik veya manyetik alana maruz kaldığında gaz deşarjı gözlenir.

Yüklü parçacıkların rekombinasyonu

- İyonlaşma durursa gaz iletken olmaktan çıkar, bu rekombinasyonun (zıt yüklü parçacıkların yeniden birleşmesi) bir sonucu olarak ortaya çıkar.

Bağımsız ve bağımlı var gaz deşarjı.

Kendi kendine yetmeyen gaz deşarjı
- iyonlaştırıcının hareketi durdurulursa deşarj da duracaktır.

Deşarj doygunluğa ulaştığında grafik yatay hale gelir. Burada gazın elektriksel iletkenliği yalnızca iyonlaştırıcının etkisinden kaynaklanır.

Kendi kendine yeten gaz deşarjı
- bu durumda, darbeli iyonizasyondan kaynaklanan iyonlar ve elektronlar (= elektrik çarpmasının iyonizasyonu) nedeniyle harici iyonlaştırıcının sona ermesinden sonra bile gaz deşarjı devam eder; elektrotlar arasındaki potansiyel farkı arttığında meydana gelir (bir elektron çığı meydana gelir).
Kendi kendine yetmeyen bir gaz deşarjı, Ua = Uignition olduğunda kendi kendine yeten bir gaz deşarjına dönüşebilir.

7 Soru. Bağımsız bir gaz deşarjının oluşma mekanizması.

Deşarjın bağımsız olabilmesi için, etkileşimler zinciri sonucunda katottan çıkan her elektronun, katottan en az 1 elektron daha çıkarması gerekir. Bir atom bir elektron tarafından iyonlaştırıldığında, serbest bir elektronun yanı sıra, bir alanın etkisi altında elektronların tersi yönde - katoda doğru hareket eden bir iyonun da ortaya çıktığını hatırlayalım. Bir iyonun katotla çarpışmasının bir sonucu olarak, ikincisinden bir elektron yayılabilir (bu işleme denir) ikincil elektron emisyonu ). Mekanizmanın kendisi karşılık gelir karanlık kendi kendine deşarj. Yani bu koşullar altında radyasyon üretimi meydana gelmez. Bu bölümün düşen doğası, yüksek akımlarda deşarjın bağımsızlığını korumak için daha düşük elektron enerjilerine ihtiyaç duyulması ve dolayısıyla daha küçük hızlanan alanlar ile açıklanmaktadır.

Türler kendi kendine deşarj. Teknik Uygulama
1. Kızdırma deşarjı. Gaz lambası tüplerinde, neon lambalarda, dijital göstergelerde, floresan lambalarda, düşük basınçlı cıva lambalarında kullanılır.
A. Katoda bitişik ışıklı olmayan kısma denir. karanlık katot alanı, b. Geri kalanını dolduran ışıklı gaz sütununa denir. anot pozitif sütunu.
2. Belirli basınçlarda anot kolonu, karanlık boşluklarla (tabakalar) ayrılmış ayrı katmanlara ayrılır. Işıma deşarjında gaz iyonizasyonunun nedeni darbe iyonizasyonu ve pozitif iyonlar tarafından katottan elektronların dışarı atılmasıdır. Ark deşarjı. Cıvalı lambalarda kullanılır
yüksek basınç
, ışık kaynakları, metallerin kaynaklanması sırasında, elektrikli eritme fırınlarında, eriyiklerin elektrolizi sırasında, elektrikli fırınlarda. 3. Korona deşarjı Yüksek voltaj. Gazları katı parçacık safsızlıklarından arındırmak için elektrikli çökelticilerde kullanılır. Geiger-Muller yüklü parçacık sayaçlarında kullanılır. Paratoner. Olumsuz olay: Yüksek gerilim hatlarında enerji sızıntısına neden olur. 4. Kıvılcım deşarjı

Yüksek voltaj . Metal işlemede kullanılır. Yıldırım: U=10 8 V, I=10 5 A, süre 10 -6 s, kanal çapı 10 - 20 cm. Metallerin yüksek elektrik iletkenliği, içlerindeki varlığından kaynaklanmaktadır. büyük sayı serbest elektronlar atomlardan ayrılır. Bu elektronlar - iletken elektronlar - metalde elektron gazı adı verilen şeyi oluşturur. Serbest elektronlar termal hareket gerçekleştirir ve kinetik enerjiye sahiptir, ancak metalin içinde tutulurlar. Coulomb etkileşimi pozitif yüklü kristal kafes

. Bir elektronun metalden ayrılabilmesi için bu kuvvetlere karşı iş yapılması gerekir ki buna denir. çalışma fonksiyonu iş fonksiyonunun ana kısmı. Bu bölümİş fonksiyonu atomların veya moleküllerin iyonlaşma enerjisine benzer.

Ek olarak, herhangi bir cismin yüzeye yakın bölgesinde çift elektrik katmanının varlığıyla ilişkili iş fonksiyonuna bir katkı vardır (Şekil 2). Tamamen düzenli ve temiz bir kristal yüzeyde bile meydana gelir. Bireysel elektronlar sürekli olarak metalin yüzeyinden ayrılır, birkaç atom arası mesafeden uzaklaşır ve ardından pozitif yüklü iyonların telafi edilmemiş yükünün etkisi altında durur ve geri döner. Sonuç olarak metal kendisini ince bir elektron bulutu ile çevrelenmiş halde bulur (Şekil 2).

Çift tabakanın kalınlığı birkaç atom arası mesafe (10 -10 saat, 10 -9 m) mertebesindedir. Çift katmanın elektrik alanı nedeniyle kristale yönlendirilen elektronlara bir kuvvet etki eder. Cismin sınırındaki çift tabakanın elektrik alanı nedeniyle etkiyen kuvvetin üstesinden gelmek için yapılan iş, iş fonksiyonunun ikinci bileşenidir. Kristalin dışındaki çift tabaka bölgesinin ötesinde elektronlar yalnızca Coulomb kuvveti, yukarıda bahsedilmişti.

Yüzeyden boşluğa geçerken elektron potansiyeli metalin içindeki potansiyele göre belirli bir miktar artar. ts buna yüzey potansiyel farkı denir. İş fonksiyonuyla aşağıdaki şekilde ilişkilidir:

Nerede e - elektron yük modülü. İş fonksiyonu genellikle elektronvolt (eV) cinsinden ifade edilir:

1 eV = 1,6·10-19 Joule.

Bir metal hacminden sınırlarının ötesinde bir elektron çıkarmak için elektronun kinetik enerjisinin iş fonksiyonunu aşması gerekir.

Nerede M- elektron kütlesi, v- hızı. Koşul (2) karşılandığında, elektron emisyonu olgusu gözlemlenir; metal yüzeyden elektron emisyonu. Elektron emisyonunu gözlemlemek için elektronlara enerji vermek gerekir.

Enerji aktarım yöntemine bağlı olarak dört tür emisyon ayırt edilir:

1. Termiyonik emisyon- ısıtılmış metaller tarafından elektron emisyonu. Artan sıcaklıkla birlikte, termal hareketin kinetik enerjisi olan elektron sayısı keskin bir şekilde artar. daha fazla işçıktı ve termiyonik emisyon olgusu daha belirgin hale gelir.
2. Fotoelektron emisyonu. Radyasyonun etkisi altında bir metalden elektron emisyonu. Bu durumda elektron, fotonun enerjisinden dolayı ek enerji alır:

Nerede H, - Planck sabiti, N- olay radyasyonunun sıklığı.

3, İkincil elektron emisyonu - Bir yüzey dışarıdan bir elektron demeti veya diğer parçacıklarla bombardımana tutulduğunda elektronların emisyonu.
4. Alan emisyonu - güçlü bir dış elektrik alanının etkisi altında bir metalin yüzeyinden elektronların emisyonu.

Çeşitli elektronik cihazlar Her türlü emisyon kullanılır, ancak en kontrollü termiyonik emisyon en sık kullanılır.

İş fonksiyonu bir cismin yüzeyinin bir özelliğidir. Aynı kristalin farklı kristalografik düzlemler tarafından oluşturulmuş veya kaplanmış yüzeyleri çeşitli maddeler, sahip olmak çeşitli işlerçıkış. Örneğin iş fonksiyonunu azaltmak için tungsten yüzeyi kaplanır ince tabaka toryum, sezyum, baryum veya belirli metallerin oksitleri (aktif katotlar). Katman kalınlığı birkaç onbinlerce atomlararası mesafedir.

İletim elektronları metali kayda değer miktarlarda kendiliğinden terk etmez. Bu, metalin onlar için potansiyel bir delik temsil etmesiyle açıklanmaktadır. Yalnızca enerjisi yüzeydeki potansiyel bariyeri aşmaya yeterli olan elektronlar metali terk edebilir. Bu bariyere neden olan kuvvetler aşağıdaki kökene sahiptir. Bir elektronun dış katmandan rastgele çıkarılması pozitif iyonlar kafes elektronun kaldığı yerde fazlalık oluşmasına neden olur pozitif yük.

Bu yük ile Coulomb etkileşimi, hızı çok yüksek olmayan elektronu geri dönmeye zorlar. Böylece, bireysel elektronlar sürekli olarak metalin yüzeyinden ayrılır, ondan birkaç atomlararası mesafe uzaklaşır ve sonra geri döner. Sonuç olarak metal ince bir elektron bulutu ile çevrelenir. Bu bulut, dış iyon katmanıyla birlikte elektrikli bir çift katman oluşturur (Şekil 60.1; daireler - iyonlar, siyah noktalar - elektronlar). Böyle bir katmanda elektrona etki eden kuvvetler metale yönlendirilir.

Elektronun metalden dışarıya doğru transferi sırasında bu kuvvetlere karşı yapılan iş, elektronun potansiyel enerjisini arttırır.

Yani potansiyel enerji değerlik elektronları metalin içindeki potansiyel kuyunun derinliğine eşit miktarda metalin dışından daha azdır (Şekil 60.2). Enerji değişimi birkaç atom arası mesafe boyunca meydana gelir, dolayısıyla kuyunun duvarları dikey olarak kabul edilebilir.

Elektronun potansiyel enerjisi ve elektronun bulunduğu noktanın potansiyeli zıt işaretler. Bundan, metalin içindeki potansiyelin, yüzeyinin hemen yakınındaki potansiyelden (kısaca "yüzeyde" diyeceğiz) şu miktar kadar daha büyük olduğu sonucu çıkar:

Metale aşırı pozitif yük verilmesi metalin hem yüzeyindeki hem de içindeki potansiyeli artırır. Elektronun potansiyel enerjisi buna göre azalır (Şekil 60.3, a).

Referans noktası olarak sonsuzdaki potansiyel ve potansiyel enerji değerlerinin alındığını hatırlayalım. Mesaj negatif yük metalin içindeki ve dışındaki potansiyeli azaltır. Buna göre elektronun potansiyel enerjisi artar (Şekil 60.3, b).

Bir metaldeki elektronun toplam enerjisi potansiyel ve kinetik enerjilerden oluşur. § 51'de mutlak sıfırda değerlerin olduğu bulundu kinetik enerjiİletim elektronları sıfırdan Fermi seviyesine denk gelen Emax enerjisine kadar değişir. Şek. 60.4 enerji seviyeleri iletim bölgeleri potansiyel kuyusunda yazılıdır (noktalı çizgi boş seviyeleri gösterir). Metalden uzaklaştırılmak için farklı elektronlara farklı enerjiler verilmesi gerekir.

Bu nedenle iletim bandının en alt seviyesinde bulunan bir elektrona enerji verilmesi gerekir; Fermi seviyesinde bulunan bir elektron için enerji yeterlidir.

Bir elektronun katı bir maddeden uzaklaştırılması için verilmesi gereken minimum enerji sıvı vücut boşluğa dönmesine iş fonksiyonu denir. İş fonksiyonu genellikle F'nin çıkış potansiyeli olarak adlandırılan bir miktar olduğu şekilde gösterilir.

Yukarıdakilere uygun olarak, bir elektronun bir metalden iş fonksiyonu şu ifadeyle belirlenir:

Bu ifadeyi metal sıcaklığının 0 K olduğu varsayımıyla elde ettik. Diğer sıcaklıklarda iş fonksiyonu aynı zamanda potansiyel kuyusunun derinliği ile Fermi seviyesi arasındaki fark olarak da belirlenir, yani tanım (60.1) herhangi bir değere genişletilir. sıcaklık. Aynı tanım yarı iletkenler için de geçerlidir.

Fermi seviyesi sıcaklığa bağlıdır (bkz. formül (52.10)). Ayrıca termal genleşme nedeniyle atomlar arasındaki ortalama mesafelerin değişmesi nedeniyle potansiyel kuyusunun derinliği biraz değişir. Bu da iş fonksiyonunun bir miktar sıcaklığa bağlı olmasına yol açar.

Çalışma fonksiyonu metal yüzeyin durumuna, özellikle de temizliğine çok duyarlıdır. Uygun yüzey kaplamasının seçilmesiyle iş fonksiyonu büyük ölçüde azaltılabilir. Örneğin tungsten yüzeyine bir oksit tabakası uygulanması alkali toprak metali(Ca, Sr, Ba), iş fonksiyonunu 4,5 eV'den (saf W için) 1,5-2'ye düşürür.