Термоэлектронная эмиссия

Качественное описание. У элементов первой группы таблицы Менделеева (Li, Na, K, Cu, Rb, Ag, Cs, Au) валентный электрон слабо связан с ядром. При объединении атомов в кристалл валентные электроны отсоединяются от атомов и становятся свободными. Решетка положительных ионов экранирует заряд электрона на расстояниях порядка периода решетки. В результате электроны не оказывают силового воздействия друг на друга и образуют идеальный газ. Их концентрация пропорциональна концентрации узлов решетки . При средняя энергия электрона

,

он движется со скоростью ~ 100 км/с. Такой кристалл проявляет металлические свойства.

На границе металл–вакуум существует двойной электрический слой, препятствующий выходу электронов из металла. Внешний слой – облако электронов, кратковременно выходящих и возвращающихся назад под действием положительных ионов. Внутренний слой – положительные ионы, не скомпенсированные вышедшими электронами.

Объем металла для электрона оказывается потенциальной ямой с работой выхода

А  5 эВ.

Поскольку , то из металла выходит малая часть электронов, соответствующих хвосту распределения Максвелла. Вероятность выхода электрона из металла равна заштрихованной площади на рисунке распределения плотности вероятности по энергии.

Количественное описание. Минимальную скорость , необходимую для выхода, находим из закона сохранения энергии

,

.

По аналогии с плотностью потока частиц (2.51) вдоль оси z, перпендикулярной поверхности металла

,

где согласно (2.42а)

,

находим плотность потока электронов, выходящих из металла:

.

Интеграл вычисляем заменой аргумента

, ,

,

тогда

, (П.5.12)

где

– плотность потока электронов, движущихся из объема металла к поверхности;

– вероятность выхода электрона из металла. Плотность электрического тока термоэмиссии

(П.5.13)

– формула Ричардсона (1901 г.). Нобелевская премия по физике 1928 г.

Сэр Оуэн Вильямс Ричардсон (1879–1959)

Время выхода частицы из потенциальной ямы

Благодаря тепловому движению у частицы имеется вероятность получить энергию, достаточную для выхода из потенциальной ямы глубиной А, или для преодоления потенциального барьера высотой A. Получим характерное время выхода τ.

Используем определение плотности потока и для одной частицы получаем

.

Подставляем (П.5.12)

,

находим

, (П.5.14)

₀ – характерное время выхода при . Закон Аррениуса (1889 г.) – время выхода частицы возрастает экспоненциально с ростом глубины ямы. Квантовая механика подтвердила этот вывод.

Сванте Август Аррениус (1859–1927)

Аррениус – шведский физико-химик и астрофизик, лауреат Нобелевской премии по химии 1903 г. Разработал теорию проводимости электролитов на основе диссоциации молекул растворенного вещества на ионы. Заложил основы химической кинетики. В 1896 г. обосновал роль углекислого газа в парниковом эффекте атмосферы. Излучение Солнца с температурой ~ 5000 К в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне (0,4–1,5) мкм проходит через атмосферу к земле. Тепловое излучение земли с температурой ~ 300 К, лежит в дальнем инфракрасном диапазоне (8–28) мкм и поглощается газами и . В результате входящая в атмосферу энергия превышает выходящую энергию, температура нижних слоев атмосферы повышается. Парниковый эффект у Земли в настоящее время , у Венеры – . Аррениус высказал также гипотезу о панспермии – зарождение жизни на Земле вызвано живыми спорами, попавшими на Землю из космоса с других планет. Сейчас эта гипотеза считается наиболее вероятной.