physics_saveliev_2 (535939), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Это объясняется тем, что металл представляет для электронов потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Сильк обусловливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного поло>кительного заряда. Кулановское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика,' вернуться обратно. Такг(м образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла,удаляются от нее па несколько межатомных расстояний н затем поворачивают обратно.
В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой (рис. 150; кружки — ионы, черные точки — электроны). Силы, действующие на элек. трон в таком слое, направлены внутрь металла. Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона нз металла наружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона йгр. 2бз Таким образом, потенциальная энергия валентных электронов ') внутри металла меньше, чем вне металла, на величину, равную глубине потенциальной ямы %'рз (рис. 151). Скачок потенциальной энергии происходит на длине порядка нескольких межатомных расстояний ( 10 з м), поэтому стенки ямы можно считать верти- "Ф кальными. о о+ Потенциальная энергия ° - электрона связана с потен- Э гО+ циалом точки,в которой находится электрон, соотноше- 'о l е о,) Г " Т ) грз ! 1 1 ! е' о о+ к Рис.
150. Рнс. 151, пнем Чрр = — еф 1см. формулу (10.5)]. Поскольку заряд электрона отрицателен, потенциал точки и потенциальная энергия электрона имеют разные знаки. Отсюда следует, что потенциал внутри металла больше, чем потенциал в непосредственной близости к его поверхности (мы будем для краткости говорить просто «на поверхности»), на величину ()Греге. Сообщение металлу избыточного положительного заряда увеличивает потенциал как на поверхности, так и внутри металла.
Потенциальная энергия электрона соответственно уменьшается (рнс. !52, а). На рис. 152, б даны кривые йур и ф для случая, когда металл заряжен отрицательное). ') Потенциальная яма для электронов, заполняющих уровни нижних зов (т. е. прочно связанных со своими атомами), имеет большую глубину. Все рассуждения этого параграфа относятся к валентным электронам. ') В последнем случае высота потенциального барьера немного понижается (соответственно уменьшается работа выхода). Это яв. ление называется эффектом Шотткн. Полная энергия электронов в металле слагается из потенциальной и кинетической энергий. Как было выяс« вено в 5 71, значения кинетической энергии электронов проводимости заключены при абсолютном нуле в пределах от О до совпадающей с уровнем Ферми %'ю,х, На ч рэ 1 Г' ! Асом.
хавин атг г- — " 'т та нр Рнс. !52. рис. !53 энергетические уровни зоны проводимости вписаны в потенциальную яму (пунктиром изображены незанятые при О' К уровни). Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить неодинаковую энергию. Так, электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию )рро, для электрона, находящегося на уровне Ферми, достаточна энергий )р'ро— )гпах = ))' ро 1)'и Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить Рнс.
!53, электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется р а б о т а й в ы х о д а. Работу выхода принято обо. значать через еф, где ф — величина, имеющая размерность потенциала и называемая потенциалом выхода. В соответствии со сказанным выше работа выхода электрона из металла определяется выражением ') еф= Ю' о — игр. (74.1) ') Величину (74.!) иногда нааывают эффективной работой вы. хода, а В'га†полной работой выхода. Мы пришли к этому выражению в предположении, что температура металла равна 0'К.
При других температурах работу'выхода также определяют как разность глубины потенциальной ямы и уровня Ферми, т. е. распространщот определение (74.1) на любые температуры. Это же определение применяется и для полупроводников. Работа выхода электрона нз металла немного зависит от температуры. Это вызвано тем, что, как отмечалось в 4 71, изменяется с температурой уровень Ферми )Ри Кроме того, из-за обусловленного тепловым расширением изменения средних расстояний между атомами слегка изменяется глубина потенциальной ямы Кио. Величина работы выхода очень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности к ее чистоте. Подобрав надлежащим образом покрытие поверхности, можно сильно снизить работу выхода. Так, например, нанесение на поверхность вольфрама слоя окисла шелочноземельного металла (Са, 5г, Ва) снижает работу выхода с 4,5 эв (для чистого %) до 1,5 — 2 эв.
й 75. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми твердыми или мспдкими телами, Нас в этом параграфе будут интересовать только металлы. Явление термоэлектрон- ной эмиссии объясняется К тем, что вследствие распре. деления но энергиям имеется некоторое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенРис.
154, циальный барьер, имеющий- ся на границе металла, При повышении температуры количество таких электронов резко возрастает н делается вполне заметным. Исследование термозлектронной эмиссии удобно производить с помощью схемы, изображенной на рис, 154. 268 Основным элементом схемы является двух электродная лампа, называемая также вакуумным диод о м. Она представляет собой хорошо откачанный металлический или стеклянный баллон, внутри которого имеются два электрода — катод К и анод А. Конструктивно электроды могут быть выполнены разными способами. В простейшем случае катод имеет форму тонкой прямой нити, анод — коаксиального с ней цилиндра (рис.
155). Катод нагревается током, создаваемым батареей накала Б„. Температуру накала можно менять, регулируя с помощью реостата Р, силу тока накала. На электроды Рас, 155. Рис. 156. подается напряжение от анодной батареи Б,. Величину анодного напряжения У„можно изменять с помощью потенциометра )сз и измерять вольтметром У (У, считается положительным, если потенциал анода выше потенциала катода). Гальванометр 6 предназначен для измерения силы анодного тока 1,. Если установить постоянный накал катода и снять зависимость силы анодного тока 1, от анодного напряжения У.„то получается кривая, изображенная на рис.!56 (различные кривые соответствуют разным температурам катода). Эта кривая называется вольт-амперной характеристикой. При (1, = 0 вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд — электронное облако.
Это облако отталкивает вылетающие из катода электроны и ббльшую часть их возвращает обратно. Все же небольшому числу электронов удается долететь до анода, в результате чего в анодной цепи будет течь слабый ток. Чтобы полностью прекратить попадание на анод электронов, т. е, сделать ь,, равным нулю, необходимо приложить между катодом и анодом некоторое отрицательное напряжение.
Следовательно, вольт-амперная характеристика диода начинается не в нуле, а немного левее начала координат. При малых положительных значениях У, сила анод- ного тока изменяется пропорционально У,~*. Теоретически эта зависимость была получена Ленгмюром и Богуславским и называется з а коном трех в то р ы х. По мере роста И, все большее число электронов отсасывается электрическим полем к аноду и, наконец, при определенном значении У, электронное облако полностью рассасывается и все вылетевшие из катода электроны получают возможность достигнуть анода. Дальнейший рост У„не может увеличить силу анодного тока — ток достигает насыщения, Очевидно, что именно ток насыщения характеризует термоэлектронную эмиссию.
Если в единицу времени с единицы поверхности катода вылетает I У электронов, то плотность тока насыщения (сила тока насыщения, отнесенная к единице поверхности катода) будет равна 1„„, = Уе. Таким образом, измеряя плотность тока насыщения при различной силе тока накала, можно найти количество электронов, Ф вылетающих с единицы поверхности прн разных температурах. На рис. 156 изображены вольт-амРчс. шт перные характеристики для несколь- ких температур. При малых У, оии совпадают. Зависимость плотности тока насыщения от температуры показана на рис.
157, Квантовая теория приводит к следующей формуле: еФ ), = АТ~е лг (75.1) где егр — работа выхода, А — не зависящая от рода металла константа, теоретическое значение которой равно 1,20 ° 10' а/мз ° градз (120 а/смз ° градз). Экспериментальные значения А получаются примерно в два раза мень- шими, чем теоретическое. Ход 1„„, с температурой формула передает вполне удовлетворительно. Формула (75.1) 'называется формулой Ричардсона Дэшмана или просто формулой Ричардсона ').
Как следует из (75.1), уменьшение е~р резко повышает эмиссию (легко убедиться в том, что прн 1160'К, т. е. при йТ = 0,10 ээ, уменьшение етр от 3 до 1 ээ приводит к возрастанию )„„почти в 5 ° 1О' раз), Поэтому при изготовлении электронных ламп применяются специальные покрытия и способы обработки катодов, приводящие к снижению работы выхода. Современные так называемые оксидные катоды, изготовляемые из никеля, покрытого окисью бария или стронция, имеют работу выхода порядка 1,0 — 1,2 ээ. В предыдущем параграфе отмечалось, что внешнее поле уменьшает высоту потенциального барьера и тем самым снижает работу выхода (эффект Шоттки).
Это приводит к тому, что н после достижения насыщения сила тока в диоде немного растет с увеличением Уа. Следовательно, соответст- вующий участок вольт-амперной характеристики пе горизонтален (как изображено на рис. 156), а идет под небольшим углом к оси У,. Диод пропускает ток только в том случае, когда Рис. 158 потенциал анода выше, чем катода. При отрицательном напряжении ток в аиодной цепи отсутствует. Это свойство диода позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.
Диод, предназначенный для этой цели, называют также ке нотр он о м. На рис. !58 показан график тока, текущего через кенотрон, если на него подается переменное напряжение, изменяющееся со временем по гармоническому закону, В этом случае ток в цепи течет лишь в течение половины периода, в связи с чем такой способ выпрямлення тока называется однополупериодным. Используя одновременно два кенотрона ') Ричардсон вывел классическую формулу для термоэлеитронной эмиссии, иоторан отличается от (75.1) лишь тем, что вместо Т' в нее входит ~/7. Формула (75.1) была получена Дэшменом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
