1. Цель работы …………………………………………………………..4

2. Теоретическая часть…………………………………………………..4

2.1. Работа выхода электронов из металла…………………………..4

2.2. Термоэлектронная эмиссия………………………………………6

3. Экспериментальная часть …………………………………………...10

3.1. Измерительные приборы………………………………………...10

3.2. Описание лабораторной установки……………………………..10

4. Требования по технике безопасности………………………………12

5. Порядок выполнения лабораторной работы………………………..12

6. Требования к отчету………………………………………………….16

7. Контрольные вопросы………………………………………………..16

Список литературы…………………………………………………...16

Лабораторная работа № 35

Изучение явления термоэлектронной эмиссии

И определение удельного заряда электрона

Цель работы

Изучение явления термоэлектронной эмиссии, снятие вольтамперной характеристики вакуумного диода, определение удельного заряда электрона.

Теоретическая часть

Работа выхода электронов из металла

В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работы выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.

В настоящее время можно указать две наиболее вероятные причины происхождения работы выхода. Одна из них заключается в индукционном действии удаляемого электрона на металл. Электрон, вылетевший из металла, вызывает на поверхности металла положительный индуцированный заряд, отчего между электроном и металлом возникает сила притяжения, препятствующая удалению электрона.

Вторая причина заключается в следующем. Электроны проводимости, совершая беспорядочное тепловое движение, способны пересекать поверхность металла и удаляться от нее на малое расстояние. У поверхности металла существует электронное облако, постоянно обменивающееся электронами с металлом, так что электроны облака и металла находятся в динамическом равновесии между собой. Заметная концентрация электронов в облаке наблюдается лишь на расстояниях от поверхности металла порядка нескольких межатомных расстояний 10 -10 – 10 -9 м. На поверхности металла имеется избыток положительных зарядов - ионов. Эти заряды и электронное облако образуют тонкий двойной электрический слой. Такой двойной слой не создает электрическое поле во внешнем пространстве, но препятствует вылету электронов из металла.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна

где j – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.

Приближенная картина изменения потенциальной энергии электрона изображена на рис. 2.1.

Потенциальная энергия электронов в металле

В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.

Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля. Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера и энергии Ферми

(2.3)

где – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.

Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы - вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Нагрев катода нитью накала до температуры 1100 – 2000 К приводит к испусканию электронов с поверхности катода. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, как показано на рис. 3.1, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность блока питания, то ток прекращается, как бы сильно катод не накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы - электроны.

В вакуумной электронной лампе электрическое поле, действующее на каждый электрон, складывается из внешнего поля, создаваемого разностью потенциалов между электродами, и поля, создаваемого всеми остальными электронами, образующими пространственный заряд. Благодаря пространственному заряду при малых анодных напряжениях анодный ток может быть значительно меньше возможного тока эмиссии катода и постепенно увеличивается при повышении анодного напряжения.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока I а от анодного напряжения u а – вольт - амперную характеристику (рис. 2.2), то оказывается, что она не является линейной, т.е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Вольт - амперные характеристики диода

при различных температурах (T 2 > T 1)

Зависимость термоэлектронного тока I а от анодного напряжения в области малых положительных значений u а описывается законом трех вторых, установленным русским физиком С.А. Богуславским и американским физиком И. Лэнгмюром

(2.4)

где k – коэффициент, зависящий от форм и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

Следует отметить, что формула (2.4) не является точной, т.к. закон Богуславского - Лэнгмюра выведен в предположении, что:

а) начальные скорости электронов, эмитируемых катодом, пренебрежимо малы;

б) анодный ток далек от насыщения;

в) пространственный заряд создает такое распределение потенциала между катодом и анодом, что непосредственно у поверхности катода напряженность электрического поля равна нулю.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения I нас, называемого током насыщения.

Насыщение анодного тока наступает тогда, когда все электроны, испускаемые катодом в единицу времени, попадают на анод. Поэтому при дальнейшем увеличении анодного напряжения анодный ток уже не может увеличиваться. Таким образом, величина тока насыщения определяется эмиссионной способностью катода.

Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона -Дэшмана, выведенной на основе квантовой статистики:

, (2.5)

где В – постоянная, теоретически одинаковая для всех материалов, однако на опыте получаются различные значения; А вых – работа выхода электрона; Т – температура; k – постоянная Больцмана (1,38 ·10 -23 Дж/К).

Благодаря экспоненциальному множителю плотность термоэлектронного тока чрезвычайно сильно зависит от работы выхода и температуры катода. Например, при повышении температуры вольфрама от 2000 К до 2500 К плотность тока эмиссии возрастает почти в 200 раз.

На рис. 2.2 представлены вольт - амперные характеристики для двух температур катода.

Явление термоэлектронной эмиссии используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т.д.

По форме и размерам электродов лампы можно определить коэффициент В в формуле (2.5). Если катод и анод представляют собой коаксиальные цилиндрические электроды, то, как показывает расчет, закон Богославского - Лэнгмюра имеет вид:

, (2.6)

где е /m – удельный заряд электрона (отношение величины заряда к его массе), r – радиус анода, l – длина катода, β 2 – коэффициент, зависящий от отношения радиусов анода и катода (при отношении радиусов больше 10 близок к единице).

Так как по вольт - амперным характеристикам диода определяется удельный заряд электрона, то удобнее строить график зависимости анодного тока от анодного напряжения в степени три вторых.

Угловой коэффициент полученной прямой в случае коаксиальных цилиндрических электродов равен:

. (2.7)

(2.8)

Из наиболее существенных факторов, приводящих к отклонениям от закона трех вторых, являются:

1) начальные скорости электронов, эмитируемых катодом, отличные от нуля. За счет этого изменяется характер распределения потенциала между электродами, в частности, напряженность электрического поля у поверхности катода не равняется нулю;

2) контактная разность потенциалов между катодом и анодом, так как в уравнении (2.4) или (2.6) под напряжением u подразумевается истинная величина разности потенциалов между электродами. Влияние контактной разности потенциалов наиболее заметно при малых анодных напряжениях;

3) асимметрия системы электродов (например, неконцентричность катода и анода);

4) наличие остатков газа в лампе, которые при достаточно высоких анодных напряжениях ионизируются. Положительные ионы нейтрализуют действие отрицательного пространственного заряда, и анодный ток возрастает значительно быстрее, чем следует из закона Богуславского - Лэнгмюра.

Существенно и обстоятельство, что величина удельного заряда электрона входит в выражение закона трех вторых (2.6) под знаком квадратного корня. Поэтому при расчете удельного заряда электрона по формуле (2.8) погрешность соответственно увеличивается.

Несмотря на множество факторов, влияющих на погрешность, выше рассмотренный метод широко используется для определения удельного заряда электрона по той причине, что он является достаточно простым.

Экспериментальная часть

Измерительные приборы

В лабораторной установке используются измерительные приборы:

1) первый модуль источника питания (ИП) с напряжением 2,5 В и второй источник постоянного тока Б5-50, используемый с напряжением до 200 В;

2) 2 цифровых вольтметра В7 - 40/4; В7 - 40/5;

3) электронная лампа 2Ц2C.

Похожая информация.

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 (так называемое электростатическое зеркало). В результате между электроном и металлом возникает сила притяжения, направленная к металлу, препятствующая выходу электрона и проявляющаяся вне тела (рис.1). 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.2). Он возникает даже на идеально правильной и чистой поверхности 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 (рис.2).

Толщина двойного слоя составляет порядка нескольких межатомных расстояний (10 -10 ч10 -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 только кулоновская сила, о которой говорилось выше.

При переходе через поверхность в вакуум потенциал электрона возрастает по сравнению с потенциалом внутри металла на некоторую величину ц , которую называют поверхностной разностью потенциалов. Она связана с работой выхода следующим соотношением:

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 кинетическая энергия электрона должна превышать работу выхода.

где m - масса электрона, v - его скорость. 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 резко 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:

где h , - постоянная Планка, н - 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.

В различных электронных приборах применяются все виды эмиссии, но чаще всего используется наиболее управляемая термоэлектронная эмиссия.

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.

Цель работы : построение и изучение вольтамперной характеристики двухэлектродной лампы (диода); исследование зависимости плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры катода и определение работы выхода электрона из вольфрама методом прямых Ричардсона.

Теоретическое введение

В этой лабораторной работе рассмотрим, как простые модели металла могут быть использованы для объяснения термоэлектронной эмиссии электронов.

Многие физические свойства металлов можно объяснить, основываясь на модели свободных электронов. В этой модели валентные электроны атомов металла считаются полностью свободными в пространстве, ограниченном поверхностью. Именно валентные электроны обуславливают электропроводность металла, и по этой причине их называют электронами проводимости и отличают от электронов, заполняющих оболочки ионных остовов.

Следующее доказательство правильности представления о свободных электронах в металлах мы обнаруживаем в явлениях термоэлектронной эмиссии. Известно (Ричардсон, 1903 г.), что электроны самопроизвольно выделяются из раскаленных металлов и что в отсутствие внешнего электрического поля они образуют электронное облако вокруг нагретого тела. Число таких электронов можно определить, измерив ток, возникающий при включении внешнего электрического поля.

Теоретически явление термоэлектронной эмиссии можно объяснить, используя модель свободных электронов. В металле электроны проводимости могут двигаться свободно, участвуя в тепловом движении. Так как они удерживаются внутри металла, то значит, вблизи поверхности металла существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла . Так как электрон – заряженная частица, то существование работы выхода показывает, что в поверхностном слое металла существует электрическое поле, а следовательно, электрический потенциал при переходе через этот поверхностный слой меняется на некоторую величину φ , которая, так же как и работа выхода, является характеристикой металла. Эта поверхностная разность потенциала связана с работой выхода очевидным соотношением:

где e – заряд электрона.

Изменение потенциала внутри металла в отсутствие тока можно наглядно представить при помощи диаграммы (рис.13.1). По вертикальной оси отложена потенциальная энергия электрона E p , то есть , причём значение потенциала вне металла принято равным нулю. Потенциальная энергия электрона вне металла постоянна; в поверхностном слое она быстро изменяется, а именно уменьшается на величину работы выхода, а внутри металла опять становится постоянной. Так что распределение потенциальной энергии электрона внутри металла представляется в виде потенциальной ямы (ящика).

Можно указать две причины возникновения работы выхода . Одна заключается в индукционном действии удаляемого электрона из металла . Такой электрон вызывает на поверхности металла положительный индуцированный заряд, отчего между электронами и металлом возникает сила притяжения, препятствующая удалению электрона. Вторая заключается в том, что вылетевшие из металла электроны образуют электронное облако . В результате у поверхности металла возникает тонкий двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует вылету электронов из металла.

Если электрон внутри металла имеет кинетическую энергию E к1 меньшую, чем глубина потенциального ящика (рис.13.1): , то такой электрон не сможет покинуть металл. Если же его кинетическая энергия , то электрон вылетает из металла. Условия вылета электрона из металла:

где m – масса электрона, v – его скорость.

Работа выхода для металлов имеет порядок нескольких электрон-вольт (1 эВ=1.6 . 10 -19 Дж). Величина энергии теплового движения равна , и при комнатной температуре Т =300 К она равна 0.02 эВ (то есть ). Поэтому при комнатной температуре подавляющее большинство электронов проводимости находится внутри металла.

Зависимость плотности тока насыщения j н () от температуры катода Т известна в литературе под названием формулы Ричардсона-Дэшмена:

, (13.3)

где k – постоянная Больцмана, равная 1.38 . 10 -23 Дж/К; В – постоянная, величина которой для многих чистых металлов лежит в пределах: (0.6÷162)А/(м 2. К 2).

Рассмотрим, как классическая статистическая физика объясняет эту зависимость. Термоэлектронная эмиссия заключается в том, что быстрые электроны металла, обладающие кинетической энергией теплового движения, большей, чем работа выхода, встречая поверхность металла, преодолевают потенциальный барьер на поверхности и выходят за пределы металла. Для этого надо найти число электронов, ударяющихся за секунду о единицу поверхности металла и причем таких, у которых кинетическая энергия перпендикулярной к поверхности составляющей скорости движения, например по оси ОХ , достаточна для преодоления потенциального барьера. Если обозначим через n 1 число таких электронов, то

Далее, используя закон распределения Максвелла по скоростям, нужно найти число электронов, для которых . Число электронов n в единице объема, скорость которых лежит в интервале скоростей между v и (v+dv), равно (распределение Максвелла)

. (13.5)

Аналогично число электронов в единице объема с компонентой скорости между v x и (v x +dv x) равно

, (13.6)

поскольку , .

РАБОТА ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ИЗ МЕТАЛЛА И ПОЛУПРОВОДНИКА

Положительные ионы, образующие решетку металла, создают внутри него электрическое поле с положительным периодически изменяющимся потенциалом (рис. 5.1). В грубом приближении изменением потенциала принебрегают и считают его одинаковым во всех точках металла и равным φ 0 (рис. 8.1, а).

Свободный электрон, находящийся в таком поле, обладает отрицательной потенциальной энергией . На рис. 8.1, б представлено изменение потенциальной энергии электрона (при переходе) из металла в вакуум. В вакууме
П = 0, в металле П 0 = -е φ 0 . Это изменение, хотя и носит характер скачка, но происходит на расстоянии d , по порядку величины, равном нескольким параметрам решетки. На рис. 8.1, б видно, что металл представляет для электрона потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, создающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в месте, которое покинул электрон, избыточного элементарного положительного заряда. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон вернуться обратно. Таким образом, отдельные электроны все время покидают металл, удаляются от поверхности на несколько межатомных расстояний и возвращаются обратно. В результате над поверхностью металла существует тонкий отрицательный слой из электронов (рис. 8.2).

Электроны над поверхностью металла и положительные ионы вблизи поверхности образуют двойной электрический слой, в котором на электрон действуют силы, направленные внутрь металла. Работа, совершаемая против этих сил при переходе электрона из металла в вакуум, идет на увеличение его потенциальной энергии. Таким образом, потенциальная энергия валентных электронов внутри металла меньше, чем в вакууме, на величину П 0 (рис. 8.1, б). Полная энергия электрона в металле слагается из потенциальной и кинетической. При абсолютном нуле температуры значения кинетической энергии электронов проводимости заключены от нуля до совпадающей с уровнем Ферми максимальной энергией (§ 6.1). На рис. 8.1, б энергетические уровни валентной зоны вписаны в потенциальную яму. Для удаления из металла разным электронам необходимо сообщить неодинаковую энергию (рис. 8.1, б). Например, электрону, находящемуся на нижнем уровне валентной зоны для выхода из металла потребуется энергия П 0 ; электрону, находящемуся на уровне Ферми, достаточна энергия П 0 – Е F .

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщитьэлектрону для выхода из твердого тела в вакуум, называется работой выхода. Таким образом, работа выхода электрона из металла определяется выражением

, (8.1)

где φ - величина, называемая потенциалом выхода. Выражение (8.1) получено в предположении, что температура металла равна 0К. При температуре, отличной от абсолютного нуля, на уровнях, расположенных выше уровня Ферми, имеется некоторое число электронов (рис. 6.4) и определение работы выхода по формуле (8.1) становится неточным. Однако, если удалить электрон с уровня, расположенного ниже уровня Ферми, то равновесие электронов в металле нарушается. Для восстановления равновесия произойдет переход электрона с более высокого уровня на освободившийся, и металл нагреется за счет выделившейся при этом энергии. Затраченную в этом случае работу нельзя считать работой выхода, так как часть ее пойдет на нагревание металла. Если удалить электрон с уровня, расположенного выше уровня Ферми, то для восстановления равновесия за счет внутренней энергии металла будет переброшен электрон из ниже лежащих уровней на освободившийся. В результате металл охладится. Затраченная в этом случае работа будет меньше работы выхода, так как используется часть внутренней энергии металла. Учитывая приведенные выше рассуждения, определение работы выхода по формуле (8.1) распространяют на любые температуры. Работу выхода электрона из металла, отсчитанную от уровня Ферми, называют изотермической.

Работа выхода электрона из металла зависит от частоты его поверхности и наличия на ней адсорбированных атомов. Так, например, нанесение на поверхность вольфрамового слоя окисла щелочно-земельного металла снижает работу выхода с 4,5 ЭВ (для чистого вольфрама) до 1,5-2 ЭВ.

Работу выхода электрона из полупроводника также отсчитывают от уровня Ферми, несмотря на то, что для удаления электрона из зоны проводимости, валентной зоны и с примесных уровней требуется различная энергия (рис. 8.3)

Однако и в этом случае можно показать, что если удалить электрон с уровня, расположенного выше уровня Ферми, то полупроводник охладится. Если удалить электрон с уровня, находящегося ниже уровня Ферми, полупроводник нагреется. И только в том случае, когда одновременно удаляются электроны с уровней, расположенных выше и ниже уровня Ферми, причем в таком соотношении, чтобы их энергия в среднем равнялась энергии Ферми, температура полупроводника останется неизменной.

Электроны в атоме.

В соответствии с электронной теорией все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц – атомов.

Атом, в свою очередь состоим из более мелких частиц, основными из которых являются протоны , нейтроны и электроны .

Протоны имеют положительный электрический заряд,

электроны – отрицательный, равный по величине заряду протона,

нейтроны электрически нейтральны, их заряд равен нулю.

Протоны и нейтроны образуют ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Вокруг ядра под влиянием его притяжения движутся по определенным замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны.

В нормальном состоянии атом содержит одинаковое количество протонов и электронов и поэтому электрически нейтрален .

Количество протонов, нейтронов и электронов в атоме зависит от типа химического элемента составной частью, которого он является. Например, в атоме водорода вокруг ядра вращается только один электрон, в атоме меди – 29 , в атоме золота – 79 .

Число электронов вращающихся вокруг ядра, всегда равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Например, атом 92 -го элемента таблицы (урана ) имеет 92 электрона, вращающихся вокруг ядра по многочисленным орбитам.

Вращающиеся в атоме электроны, которые расположены на внешних орбитах, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах. Поэтому под действием соседних атомов или вследствие других причин внешние электроны могут покинуть свою орбиту, что повлечет за собой изменение электрического состояния атома.

Электроны, расположенные на внешних орбитах атомов, называются валентными электронами. Они определяют химическую активность вещества, т.е. участвуют в создании химической связи между атомами.

Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей, получили название свободных электронов. Они перемещаются внутри вещества между атомами в различных направлениях и с различными скоростями.

При наличии внешнего электрического поля беспорядочное движение свободных электронов становится упорядоченным, направленным . В результате − возникает электрический ток.

Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем выше его электропроводность. Этим и объясняется хорошая проводимость металлов, а также деление твердых тел по способности их проводить электрический ток на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Теряя или приобретая электроны, нейтральный в электрическом отношении атом становится заряженным. Такой атом называется ионом. Процесс отрыва электронов от атома или присоединения к атому лишнего электрона в результате, которого образуется положительный или отрицательный ион, носит название ионизации атома. Ионы, имеющие разноименные заряды, притягиваясь, друг к другу, образуют молекулы.

Работа выхода электронов

Дляработы электронных приборов необходимы свободные электроны. Только в этом случае они смогут выполнять функции электрического тока. Как получить такие электроны? Задача заключается лишь в том, чтобы оторвать их от ядра и при необходимости извлечь из вещества. Но оказывается это возможно лишь при выполнении определенных условий, речь о которых и пойдет ниже.

При температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) и отсутствии других источников возбуждения электроны в атомах любого вещества занимают уровни с наименьшей энергией. В проводниках, обладающих высокой концентрацией электронов в зоне проводимости, распределение электронов по величинам энергии можно изобразить графиком, названным распределением Ферми . По оси абсцисс отложено значение энергии, а по оси ординат – количество электронов. Из графика рис, 1.4 , (кривая 1) видно, что при температуре абсолютного нуля нет электронов, обладающих энергией, большей W F (уровень Ферми).

Величина W F зависит от физических свойств материала и определяется выражением

где h – постоянная планка; m e - масса электрона; N – число свободных электронов в 1 кубическом см проводника.

В металлах N ≈ 10 22 …10 23 . Максимальная энергия W F электронов внутри металла достигает десятков электрон-вольт. Однако выход электронов за поверхность металла при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий (освещение поверхности проводника, бомбардировка пучком электронов и т.п.) не наблюдается. Это объясняется двумя причинами.

Во-первых , те немногие электроны, которые выходят за пределы проводника, теряют большую часть своей энергии и накапливаются на поверхности металла. Между этими электронами и положительными ионами, находящимися внутри металла у его поверхности, образуется электрическое поле, направленное от проводника к слою электронов. Совокупность положительных ионов у поверхности металла и электронов, появляющихся над поверхностью, называется двойным электрическим слоем.

Действие двойного электрического слоя на электроны, стремящиеся покинуть пределы металла, является тормозящим, так как этим электронам приходится лететь по направлению электрических силовых линий и отдавать свою энергию полю.

Во-вторых , если некоторое количество электронов все же выйдет за пределы металла, то металл будет обратно их притягивать. Объясняется это тем, что металл, лишенный части электронов, заряжается положительно и, следовательно, между ним и вылетевшими электронами возникает электрическое поле, препятствующее выходу новых электронов.

Таким образом, для отрыва от поверхности проводника электроны должны затратить работу против электрических сил, возвращающих их обратно, т.е. некоторую полную энергию

W a = W F + W 0 1.8

Величина W 0 называется работой выхода. Работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона e на пройденную разность потенциалов φ o . Поэтому

W 0 = Wa - W F = e φ 0 . 1.9

Эта работа измеряется в электрон-вольтах.

Величина работы выхода твердых тел зависит от их структуры и является физической характеристикой тела.

Чем меньше у данного проводника работа выхода, тем меньше должна быть затрата энергии для получения свободных электронов вне этого проводника.

Выход возможен также из полупроводников и диэлектриков. Однако при этом работа затрачивается не только на преодоление тормозящих электрических сил, но и на возбуждение электронов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости.

Полная работа выхода полупроводников

eφ = eφ i + eφ 0 1.10

Где еφ i - работа, затрачиваемая на перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости;

еφ 0 - работа, необходимая для выхода электронов проводимости за поверхность полупроводника.

Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая процесс выхода электронов из полупроводника приведена на рис. 1.7. У некоторых примесных полупроводников работа выхода может быть очень малой – порядка 1 эВ.

Таким образом, если электронам металлов или полупроводников сообщается извне дополнительная энергия, то выход электронов из тела оказывается возможным – происходит электронная эмиссия .

Поток свободных электронов в электровакуумных и ионных (газоразрядных) приборах возникает из металлического или полупроводникового электрода – катода. Чтобы электроны могли выйти за пределы катода, необходимо сообщить им извне некоторую энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. В зависимости от способа сообщения электронам добавочной энергии различают такие виды электронной эмиссии:

термоэлектронную, при которой дополнительная энергия сообщается электронам в результате нагрева катода;

фотоэлектронную, при которой на поверхность катода воздействует электромагнитное излучение;

вторичную электронную, являющуюся результатом бомбардировки катода потоком электронов или ионов, двигающихся с большой скоростью;

электростатическую, при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов за его пределы.