ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
Цель работы: ознакомиться с явлением термоэлектронной эмиссии, понятием работы выхода и способом её определения, работой вакуумного диода и его характеристиками.
Задачи работы: измерить вольтамперные характеристики электровакуумного диода при различных температурах катода, определить работу выхода для вольфрама
Работа выхода электронов из металла
Высокая электропроводность металлов обусловлена наличием в них большого числа свободных электронов, оторвавшихся от атомов. Эти электроны – электроны проводимости – в металле образуют так называемый электронный газ. Свободные электроны совершают тепловое движение и обладают кинетической энергией, но удерживаются внутри металла вследствие их кулоновского взаимодействия с положительно заряженной кристаллической решеткой. Для выхода электрона из металла необходимо совершить работу против этих сил, которая называется работой выхода электронов.
Существует две причины, приводящие к возникновению работы выхода. Первая заключается в следующем. При попытке электрона покинуть металл на его поверхности появляется индуцированный положительный заряд (электростатическое зеркало). В результате между электроном и металлом возникает сила притяжения, препятствующая выходу электрона и проявляющаяся вне тела. Работа против силы притяжения к положительно заряженному телу и составляет основную часть работы выхода. Данная часть работы выхода аналогична энергии ионизации атомов или молекул.
Кроме того, имеется вклад в работу выхода, связанный с наличием в приповерхностной области любого тела двойного электрического слоя (рис.1). Он возникает даже на идеально правильной и чистой поверхности кристалла в результате того, что «центр тяжести» электронной плотности в приповерхностной кристаллической ячейке не совпадает с плоскостью, в которой расположены ионы последнего слоя, а смещен от неё в направлении от кристалла. Отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от него на несколько межатомных расстояний, а затем останавливаются под действием некомпенсированного заряда положительно заряженных ионов и поворачивают обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Толщина двойного слоя составляет порядка нескольких межатомных расстояний (10-10 ÷10-9 м). За счет электрического поля двойного слоя на электроны действует сила, направленная внутрь кристалла. Работа по преодолению силы, действующей за счет электрического поля двойного слоя на границе тела, является второй составляющей работы выхода. За областью двойного слоя вне кристалла на электроны действует кулоновская сила, о которой говорилось выше.
Рис. 1
При переходе через поверхность в вакуум потенциал электрона возрастает по сравнению с потенциалом внутри металла на некоторую величину φ, которую называют поверхностной разностью потенциалов. Она связана с работой выхода следующим соотношением:
, (1)
где е – модуль заряда электрона. Обычно работу выхода выражают в электронвольтах (эВ): 1 эВ = 1,6·10-19 Джоуля. Для удаления электрона из объёма металла за его пределы должно выполняться условие:
, (2)
где m – масса электрона, v – его скорость. Неравенство (2) означает, что кинетическая энергия электрона должна превышать работу выхода. При выполнении условия (2) наблюдается явление электронной эмиссии, т.е. испускание электронов с поверхности метала. Для наблюдения электронной эмиссии необходимо сообщить электронам энергию.
В зависимости от способа сообщения энергии различают четыре вида эмиссии:
1, Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов нагретыми металлами. С повышением температуры увеличивается число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода и явление термоэлектронной эмиссии становится более заметным.
2. Фотоэлектронная эмиссия. Эмиссия электронов из металла под действием излучения. В этом случае электрон получает дополнительную энергию за счет энергии фотона: E=hν, где h, - постоянная Планка, ν - частота падающего излучения.
3, Вторичная электронная эмиссия - испускание электронов при бомбардировке поверхности извне пучком электронов или других частиц.
4. Автоэлектронная эмиссия - эмиссия электронов из поверхности металла под действием сильного внешнего электрического поля.
Работа выхода является характеристикой поверхности тела. Грани одного и того же кристалла, образованные различными кристаллографическими плоскостями или покрытые различными веществами, имеют различную работу выхода. Например, для снижения работы выхода поверхность вольфрама покрывают тонким слоем тория, цезия, бария или окислов некоторых металлов (активированные катоды). Толщина слоя составляет несколько десятков тысяч межатомных расстояний.