Электрический ток в вакууме. Эмиссионные явления.

Вакуумом наз. такая степень разрежения газа, при которой можно пренебрегать соударениями между его молекулами и считать, что средняя длина пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится . Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и положительных ионов, которое необходимо для электропроводности. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах. Проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума наз. электрическим полем в вакууме. Проводимость в вакуумных трубках осуществляется электронами, испускаемыми катодом при его нагревании.

Свободные электроны в металле, в том числе и в электродах вакуумной трубки, находятся в состоянии хаотического движения. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (энергиям) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. Отдельные электроны могут при этом приобрести кинетическую энергию, достаточную для вылета из металла и вырваться из него. Часть электронов, вылетевших из металла, вновь попадает на него. Т.о. устанавливается динамическое равновесие, при котором над поверхностью электрода образуется тонкий слой заряженных частиц – электронное облако, препятствующее удалению от него вылетевших электронов.

При обычных температурах концентрация электронов над поверхностью катода ничтожно мала. При нагревании катода увеличивается энергия свободных электронов и усиливается их эмиссия.

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл, т.к. в поверхностном слое существует задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Электроны могут покинуть металл в результате:

1. действия электромагнитных волн: явление фотоэлектронной эмиссии (фотоэффект) состоит в вырывании под действием света электронов с поверхности тел (напр., металлов), помещенных в вакууме или газе, а так же коротковолнового электромагнитного излучения (напр., рентгеновского);

2. действия температуры: термоэлектронной эмиссией наз. испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании; явление используется в приборах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, напр., в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах и т.д. Вследствие распределения по скоростям в металле всегда имеется некоторое число свободных электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти за пределы металла. При комнатной температуре колмчество таких электронов ничтожно мало. Однако с повышением температуры количество электронов, способных покинуть металл, очень быстро растет и при температуре порядка 1000К становится вполне ощутимым.

3. действия пучка электронов: вторичная электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников и диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов или ионов. Вторичный электронный пучок состоит из электронов, отраженных поверхностью (упруго и неупруго отраженные электроны) и «истинно» вторичных электронов – электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электронами. Коэффициент вторичной эмиссии: , где число первичных и вторичных электронов соответственно. Коэффициент зависит от природы материала поверхности, энергии бомбардирующих частиц и их угла падения на поверхность. У полупроводников и диэлектриков больше, чем у металлов.

4. ионно-электронная эмиссия - испускание электронов в результате бомбардировки эмиттера ионами.

5. действия электрического поля: автоэлектронная эмиссия (холодная)– эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля.

Для вылета электрона из металла необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона была достаточной для преодоления его связи с металлом – для совершения работы выхода А из металла: . , где контактный потенциал данного металла (разность потенциалов, кот. образуется между металлом и вакуумом).

Причины появления работы выхода:

1. при удалении электрона из металла в том месте, которое покинул электрон, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду;

2. некоторые электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка атомных и создают над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого 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 (10^-10-10^-9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла.

Работа зависит от химической природы металла и от чистоты поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон – вольт (напр., у калия А=2,2 эВ, у платины а=6б3 эВ) Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода.

Удаление элек­трона из атома - ионизация атома.

З

Дано:

, , , ,

адача 5. Определить минимальную скорость электрона, необходимую для ионизации атома водорода, если потенциал ионизации атома водорода .

Р ешение:

, откуда

О твет: .

Задача 6. Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определить скорость вылетающего из металла электрона, необходимую, если он обладает энергией .

Р

Дано:

,

ешение:

, откуда

Ответ: .

Задача 7. Определите работу выхода электронов из металла, если плотность тока насыщения двухэлектродной лампы при температуре равна , а при температуре равна .

Решение:

По формуле Ричардсона - Дешмана , , где плотность тока насыщения термоэлектронной эмиссии; постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов; А- работа выхода электрона из металла.

Тогда , логарифмируя обе части равенства, получим ,

Ответ: .

Исследования закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы – вакуумного диода.