электровакуум.приборы (1084498), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Электроны, двигаясь в металле за счет собственной энергии, перемешаются к поверхности, те, что обладают достаточной собственной энергией, могут на короткое время выйти за пределы кристаллической решепси (не более 1(Ге см). В этом случае у поверхности металла за счет вышедших электронов образуется электронный заряд, который вместе с положительными зарядами, образовавшимися в результате ухода электронов, создают двойной электрический слой (рис. 1.8) . Электрическое поле этого слоя препятствует выходу электронов из металла, так как оно является тормозящим для них. Если предположить, что некоторое количество электронов, обладающих энергией больше ЬР, все же вышло за пределы в вакуум (на расстояние, значительно превышающее междуатомное), то по законам электрической индукции в метютле должен быть наведен положительный заряд на том же расстоянии х от поверхности металла (рис.
1.9). Между электроном и индупированным зарядом (зарядом зеркального изображения) действует сила взаимного притяжения, направленная внутрь металла и препятствующая их выходу. Следовательно, для отрыва от поверхности металла электрону нужно сообщить дополнительно к его максимальной энергии ЬР энергию Ьо, т. е.
некотоРУю полнУю энеРгию или полнУю РаботУ выхода И~е = Иэр + Ио. Энергия Ио = Ие — ИР, необходимая для переноса в бесконечность электрона, находящегося в исходном положении на уровне Фер- 20 Рис. 1.8. двойной электрический слой на поверхности про- водника Рис. 1хя Образование силы, обусловленной наличием зеркелыю наведенного заряда у поверхности металла ми в данном материале, называется работой выхода.
Затрата энергии на перемещение электрона из металла в окружающее пространство равна произведению заряда электрона е на пройденную разность потенциалов в тормозящем поле де. Поэтому Ьо = еде, измеряется в электрон вольтах. Работа выхода зависит в основном от междуатомного расстояния твердого тела: чем расстояние больше, тем работа выхода меньше. Например, у щелочных и щелочноземельных металлов (цезий, барий, стронций и т. д.), имеющих большие расстояния между атомами в кристаллической решетке, работа выхода невелика — около 1,8-2,5 эВ, а у таких металлов, как молибден, вольфрам, платина, — 4 — 5,3 зВ, т. е.
почти в 2 раза больше. Тормозящая разность потенциалов для вылетающих с поверхности металла электронов представляет своего рода барьер, называемый потенциальным или энергетическим. Энергетический барьер у поверхности метвлла показан на рис. 1.10. По оси ординат отложена энергия 1Р, а по оси абсцисс — расстояние от поверхности металла х.
Если пользуются понятием потенциального барьера, то по оси ординат откладывают потенциал, равный р = Ь/е. В целом кривая показьвает, какую работу надо совершить, чтобы переместить электрон на расстояние х от поверхности тела. Участок ап соответствует максимальной энергии электрона в металле Ь', высота барьера ст( определяет полную энергию Р' Им необходимую электрону для вьп1ета из металла в вакуум, разность энергий Ь'.
и И'Г, — работувыходаэлектрона еде. Работу выхода можно значительно изменить, если на поверхность металла нанести тонкий одноатомный слой другого вещества. Если на поверхности основного металла расположены атомы вещества, отдающие электроны данному металлу, то наблюдается уменьшение работы выхода. Такие атомы вещества назьваются элекгроположигельньиии относительно основного металла (рис.
1.11, а) . 21 Ю ь ь а) Рис. 1.10. Энергетический барьер у поверхносщ метаппа 5. Объясните понятие "дискретность" для энергетических уровней электронов в атоме. 6. Как влияет на энергетические уровни взаимодействие отдельных атомов при образовании кристалла? 7. Что вы понимаете под разрешенными и запрещенными энергетическими зонами". 8. В чем отличие валентнои эоны от зоны проводимости? 9. Объясните различие между металлами и полупроводниками елочки зрения нровоцимости.
10. Почему при температуре абсолютного нуля не наблюдается выход электронов из металла? Рис. 1.11. Эпектроповохщтепьные (а) и апектроотрииательные (б) атомы вещества на поверхности металла Объясняется зто тем, что атомы, отдающие часть электронов основ. ному металлу, превращаются в положительные ионы, котораае совместно с отрипятельным зарядом основного металла создают двойной электрический слой. Электрическое поле этого слоя является ускоряющим для выходящих из металла электронов, т. е. уменьшает работу выхода. Так, одноатомная пленка торна снижает работу выхода вольфрама до 2,63 эВ.
Атомы вещества, отбирающего у основного металла электроны и лреврашающиеся в отрютательные ионы (рис. 1.11, б), называются электроотрицатеаьными относительно основного металла. Слой таких атомов на поверхности металла приводит к увеличению работы выхода. Например, атомы кислорода на поверхности вольфрама увеличивают работу выхода на несколько электрон-волью Выход электронов возможен также иэ полупроводников и диэлектриков.
В этом случае необходимо затратить полную энергию„равную сумме энергии для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости и энергии для выхоца электронов проводимости за поверх. ность полупроводника в вакуум. Работа выхода некоторых примесных полупроводников может составлять около 1 эВ. Контрольные вопросы и задания 1. Назовите основные свойства электрона.
2. Объясните связь энергии электрона с напряжением, ускоряющим его. В каких единицах принято измерять эту энергию? 3. Назовите основные положения теории атома ло Бору. 4. В чем заключается двойственность природы электрона? 22 Глава вторая ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ 2.1. ВИДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ Выше указывалось, что для выхода из вещества электрон должен совершить работу выхода. Для этого электрону необходимо сообщить извне дополнительную энергию. Явление испускания электронов с поверхности вещества в окружающее пространство называется электронной эмиссией. Электрод электровакуумного прибора, являющийся источником электронной эмиссии, называется змиттером или катодом.
В зависимости от способа сообщения дополнительной энергии электронам различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и электростатическую эмиссию. 2.2. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАИ ЭМИССИИ Термоэлекгронная эмиссия — явление выхода электронов из нагретых тел. Эта эмиссия в настоящее время широко используется как в вакуумных, так и ионных приборах. С повышением температуры энергия электронов проводимости эмиттера увеличивается и может оказаться достаточной дпя совершения работы выхода. Чем выше температура эмиттера, тем большее число электронов имеет энергию, достаточную для того, чтобы покинуп эмиттер. Следовательно, с повышением температуры увеличивается количество испускаемых электронов, т.
е. ток электронной эмиссии с поверхности эмиттера. Лля вычисления тока термозлектронной эмиссии необходимо онрецелить число электронов, поступающих в единицу времени к поверхности тела и обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. 23 р у Рис. 2.1.
Кривые распределения электронов по энергиям при различных температурах металла: 1 — Т = О К; 2 — Т Ъ О К; 3 — иэображение потенпиального барьера у поверхности эмиттера Рис. 2.2. Построение прямой Ричардсона Согласно условию Ферми — Днрака распрецеление электронов в ме- талле по энергиям определяется формулой Пг дл =А дИ', Ва 1УР ехр +1 'хТ где дл — число электронов в 1 смэ металла, имеющих при Т = 0 К энер- гию в интервале лгу; Т вЂ” термодинамическая температура; Иа — пол- ная энергия электрона'„Ир — уровень Ферми; 1с — постоянная Больц- маиа; А — постоянный коэффициент. Графическая зависимость отношения дл/л1Р от И' получила назва- ние дифференциальной кривой распределения энергии (рис.
2.1). Иа этом же рисунке показан потенциальный барьер у поверхности тела (эмиттера) . При температуре Т = 0 К (кривая 1) внутри металла электроны имеют энергию, не превышающую ИР— эНергию Ферми, При разогреве эмиттера до температуры Т > 0 часть электронов имеет энергию больше ИР и может покинуть металл (кривая 2) . Плотность тока термоэлектронной эмиссии опрецеляют по урав- нению Ричардсона — Дэшмана: Хэ = АТ'ехр( — Ь/Т), (2.1) где А и Ь вЂ” постоянные термоэлектроиной эмиссии, зависящие от природы и чистоты поверхности металла; А = 12012 А/(смг Кг)' Ь= — еюо/й; 12 — проницаемость потенциального барьера для электронов; ечге 24 работа выхода, эВ; Т вЂ” термодинамическая температура эмиттера; К вЂ” постоянная Больцмана, равная 1,ЗВ 10 г э Дж/К, Уравнение (2.1) показьвает, что плотность тока термоэлектронной эмиссии Уэ с поверхности металла зависит от работы выхода и температуры.
При данной температуре Уэ определяется постоянными А и Ь. Последние можно опрецешпь, если уравнение записать в логарифмической форме: 1п | Уэ/ Т г | = 1п | А | — Ь/ Т. (2.2) Выражение (2.2) показывает, что |п|1э/Тг| зависит линейно от величины 1/Т и при построении должно дать прямую линию (прямую Ричардсона), Определив экспериментальным путем значение плотности тока при различных температурах и построив зависимость 1п| 1э/Т | = = Т(1/Т) (рис. 2.2), найдем постоянные коэффициенты А и Ь.
Прямая Км отсекает на оси ординат отрезок ОК =!пА, а тангенс угла наклона прямой опрецеляет коэффициент Ь, т, е. работу выхода, деленную на постоянную Больцмана: тйб = Ь = е Ро/й. 2.3. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ТЕРМОЗЛЕКТРОННУЮ ЭМИССИЮ Выше было рассмотрено уравнение для плотности тока термоэлектронной эмиссии (2.1) в предположении, что внешнее электрическое поле в вакууме отсутствует.
Однако исследования показали, что внеш. нее ускоряющее электрическое поле, приложенное между катодом и анодом любого электровакуумного прибора, увеличивает электронную эмиссию. Это явление получило название эффекта Шотгки, суть которого поясняется на рис. 2.3. Кривая 1 изображает потенциальный барьер высотой р„соответствующей полной работе выхода И' при отсутствии внешнего электрического поля, линия 2 — распределение потенциала внешнего электрического поля для плосковараллельных электродов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
