Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 52

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 52)

Поэтому объяснить затруднения элементарной классической теории электропровод- ности металлов можно лишь квантовой теорией, которая будет рассмотрена в дальнеишем. Надо, однако, отметить, что классическая электронная теория не утратила своего значения и до настоншега времени, так как во многих случаях (например, при малой концентрации электронов проводимости и высокой температуре) она дает правильные качественные результаты и является по сравнению с квантовой теорией простой и наглядной. хх (04.

Работа выхода элгктронон нз металла Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. Укажем две вероятные причины появления работы выхода: !. Если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду. 2.

Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка атомных н создают тем самым над поверхностью металла «электронное облакож плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (!О '" — )О ' м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла. Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя.

Разность потенциалов Лф в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода (А) электрона из металла: Лп=А/е, где е — заряд электрона. Так как вне двойного слоя электрическое поле отсутствует, та потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен и равен Л~р. Потенциальная энергия сво. бодного электрона внутри металла равна — еЛф и является относительно вакуума отрицательной. Исходя нз этого можно ~ а и а !Х Члс зрк ггкиг г ки ь чсча щач, юн Ючс к л *л~ !ьт считать, что весь объем металла для электронов проводимости представляет потенциальную яму с плоским дном, глубина которой равна работе выхода А Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (заряда, равного заряду электрона) при прохождении им разности потенциалов в 1 В.

Так как заряд электрона равен 1,6 10 м Кл, то 1 эВ=!,5 10 'э Лж. Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт (например, у калия А =2,2 эВ, у платины А =6,3 эВ). Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода. Например, если нанести на поверхность вольфрама (А = =4,5 эВ) слой оксида щелочно-земельно. го металла (Са, 5г, Ва), то работа выхода снижается до 2 эВ.

й 105. Эмиссионные явления и их применение Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего наблюдается нвлеиие испускании электронов, илн электронной эмиссии. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектрониую, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектроиную эмиссии. 1. Термозлектрониая эмиссия — это испускаиие электронов нагретыми метал. лами.

Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера иа границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. риг. !аз Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержаьцнй два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаше всего нмсс> форму металлического цилиндра, окр1,хан~щего катод.

Если диод внлючнть в цепь, как это показано на рнс. 152, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи Б„ то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы †. элек. троны. Если поддерживать температуру на. каленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока /, от анодного напряжения (/, — вольт-амперную характеристику (рнс. 153), то оказывается, что она не является линейной, т.

е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектрониого тока / от анодного напряжения в области малых //а нчг !лз !ан 3 Электр« ккчв ~ и мсктркч»~ пю к ш положительных значений 0 описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Багуславскнм (!883— 1923) и американским физикам И. Ленгмюром (1881 — 1957) ): В()з~з где  — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также нх взаимного расположения.

Прн увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения !..„называемого током насыщенна. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектроннога тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики: С Тз л д 1«ас где А — работа выхода электронов из катода, Т вЂ” термодинамическая температура, С вЂ” постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-вндимому, объясняется поверхностными эффектами) . Уменьшение рабаты выхода приводит к резкому увеличению плотности така насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочно-земельного металла), работа выхода которых равна 1 — 1,5 эВ. На рнс.

!53 представлены вольт-амперные характеристики для двух температур катода: Т~ н Ть причем Тз'- Ть С повышением температуры катода нспусканне электронов с катода интенсивнее, при этом увеличивается н ток насыщения. Прн У, =О наблюдается анодный ток, т. е. некоторые электроны, эмнттнруемые катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без приложения электрического паля.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах н т. д. Электронные лампы широко применяются в электро- и радиотехнике, автоматике н телемеханике для выпрямлення переменных токов, усиления электрических сигналов и переменных токов, генерирования электромагнитных колебаний н т. д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды, 2. Фотоэлектронная эмнссня — это эмиссия электронов нз металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновского!. Основные закономерности этого явления будут разобраны при рассмотрении фотоэлектрического эффекта.

3. Вторичная электронная эмнссня— это нспускание электронов поверхностью металлов, полупроводников нли диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью (упруго н неупруго отраженные электроны), н «истинно» вторичных электронов —.

электронов, выбитых нз металла, полупроводника нлн диэлектрика первичными электронами. Отношение числа вторичных электронов пз к числу первичных пь вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмнсснн: 6=п /и,. Коэффициент 6 зависит от природы материала поверхности, энергии бомбардируюших частиц и их угла падения на поверх. ность. У полупроводников и диэлектриков 6 больше, чем у металлов.

Это объясняется тем, что в металлах, где концентрация электронов проводимости велика, вторичные электроны, часто сталкиваясь с ними, теряют свою энергию н не могут выйти из металла. В полупроводниках и диэлектриках же из-за малой концентрации электронов проводимости столкновения вторичных электронов с ними происходят га- 1 а а в а 1.! Эаактричхскив тихи в хнтаалах, ваку>че и ~ахах 1 3 9 7 9 Е,каа Рис.

Характеристики

Список файлов книги