1. Работа выхода

1.1 Электроны в металле

Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в окружающий их вакуум или газ.

Вылетевшие электроны являются свободными.

Так как в большинстве случаев используется явление электронной эмиссии из металлов, то рассмотрим состояние электронов в металлических проводниках.

В металлах электроны внешних оболочек атомов совершают беспорядочное движение, переходя от одних атомов к другим и образуя «электронный газ». Их принято называть электронами проводимости в отличие от электронов внутренних оболочек атома, которые сильно связаны с ядром и называются связанными.

Атомы вещества, лишенные внешних электронов, могут, быть названы ионами. Они располагаются вполне определенным образом, образуя пространственную (ионную) решетку.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется определенное количество энергии, называемое квантом (или фотоном). Если атом поглощает 1 квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, т.е. определенными порциями.

Распределение электронов по уровням энергии изображают схематически так, как показано на рис.5.1. По вертикали отложена энергия W электрона, а горизонтальными линиями показаны уровни энергии.

В веществах имеются электроны, заполняющие ряд более низких энергетических уровней, составляющих валентную зону.

Электроны этой зоны не участвуют в явлениях электропроводности. В металлах существует также большое количество электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях. Они обеспечивают электропроводность металлов. Эти уровни составляют зону проводимости.

Рис. 5.1. Схема уровней энергии электронов:

а) для твердого проводника; б) диэлектрика

Диаграммы рис.5.2 показывают распределение электронов по величинам энергии. По горизонтали отложена энергия W, а вертикальные отрезки изображают количество электронов N, обладающих данной величиной энергии. Диаграмма рис.5.2, а) дана для температуры абсолютного нуля.

Рис. 5.2. Распределение числа электронов в металле по величинам энергии

Наибольшая энергия, которой обладают электроны данного металла при температуре абсолютного нуля (Т = 0), обозначена через W₀. Она показывает, что число электронов, не имеющих энергии, равно нулю. Чем больше величина энергии, тем больше электронов обладают такой энергией. Больше всего имеется электронов с энергией W₀.

Для более высокой температуры показана диаграмма рис.5.2, б). В этом случае некоторое количество электронов имеет энергию больше W₀ и соответственно уменьшилось число электронов с энергией меньше W₀.

Число электронов с более высокой энергией, чем W₀, убывает по мере возрастания энергии. Чем выше температура, тем больше максимальная энергия W_макс.

1.2 Выход электронов из металла

При нормальной температуре энергии электронов недостаточно для выхода их из тела. Чтобы получить электронную эмиссию, надо сообщить электронам добавочную энергию.

Отсутствие эмиссии при нормальной температуре объясняется двумя причинами.

Первая состоит в том, что электроны, имеющие наибольшую энергию (W₀ и более), при своем беспорядочном движении подходят к поверхности металла, но их притягивают обратно положительные ионы пространственной решетки. На поверхности образуется «электронная пленка» (рис.5.3, а). Конечно, она не является «застывшей», а находится в динамическом равновесии. Новые электроны приходят в эту «пленку», а ранее попавшие в нее уходят обратно в глубь металла.

Между электронной пленкой и положительными ионами существует электрическое поле, которое тормозит электроны, стремящиеся выйти из тела (рис.5.3, б). Говорят, что на поверхности металла получается двойной электрический слой (слой электронов над слоем ионов). Чтобы пройти этот слой, электрон должен иметь энергию больше W₀.

Рис.5.3. Электронная пленка (а) и электрическое поле двойного электрического слоя (б)

Вторая причина, препятствующая выходу электронов, заключается в том, что металл, лишенный части электронов, заряжается положительно. Между ним и вылетевшими электронами возникает электрическое поле, под действием которого электроны притягиваются обратно к металлу. Сила этого притяжения быстро убывает при удалении электрона от поверхности металла. Ее можно считать равной нулю, когда электрон удалится от поверхности металла на несколько междуатомных расстояний.

Таким образом, чтобы вылететь в вакуум и не быть связанным с металлом, электрон должен иметь сверх энергии W₀ еще энергию, необходимую для преодоления силы обратного притяжения к металлу.

Энергия, которую нужно сообщить для выхода из металла электрону дополнительно к максимальной энергии W₀, имеющейся при температуре абсолютного нуля, называется эффективной работой выхода или просто работой выхода (W_вых).

Полная работа, совершаемая электроном при выходе из металла, равна W₀ + W_вых. Ее иногда называют полной работой выхода, а величины W₀ и W_вых соответственно внутренней и внешней работой выхода.

Работа по перемещению электрического заряда, отнесенная к величине заряда, равна разности потенциалов, которую проходит заряд. Если работу W₀ + W_вых разделить на заряд электрона е, то получится некоторая разность потенциалов.

Так как электрон при выходе из металла расходует энергию, то потенциал в вакууме отрицателен относительно металла. Приняв потенциал металла за нулевой, можно написать, что потенциал φ в вакууме вблизи поверхности металла равен:

(5.1)

где φ₀— потенциал на границе электронной пленки и вакуума;

φ_вых — потенциал, соответствующий работе выхода.

На рис.5.4,а показан график изменения потенциала при переходе из металла в вакуум. По вертикали отложен отрицательный потенциал φ, по горизонтали — расстояние х. На границе металла и вакуума получается «скачок» потенциала или «потенциальный барьер» для электронов. В электронной пленке потенциал повышается в отрицательную сторону на φ₀ и далее в вакууме он растет еще дополнительно на φ_вых. Полная «высота» барьера составляет φ₀ + φ_вых. Для преодоления барьера электрон должен иметь энергию не менее W₀ + W_вых электрон-вольт или «скорость» не менее φ₀ + φ_вых вольт.

Рис.5.4. Потенциальный барьер на границе металла и вакуума (а)

и его механическая аналогия (б)

Наглядная механическая модель выхода электронов изображена на рис.5.4, б. Потенциальный барьер заменен горкой, переходящей в плоскогорье, а электроны — шариками, находящимися у подножия. Чтобы шарики могли вкатиться на горку, они должны иметь определенную кинетическую энергию, зависящую от высоты h. Если энергии недостаточно, то шарики скатываются обратно. По аналогии с движением электронов в вакууме считают, что шарики катятся без трения. Для удобного перехода к такой механической аналогии отрицательный потенциал на рис.5.4 отложен вверх.

Работа выхода различна для разных металлов и составляет несколько электрон-вольт. Чем она больше, тем труднее получить электронную эмиссию. У металлов, имеющих большие междуатомные расстояния, работа выхода меньше. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, например цезий, барий, кальций.

Исследование явления электронной эмиссии показало, что примеси других веществ на поверхности металла оказывают значительное влияние на работу выхода.

Если на поверхности основного металла расположены атомы веществ, отдающие электроны данному металлу, то наблюдается увеличение эмиссии. Такие вещества называют активирующими. Их влияние объясняется тем, что атомы, отдавшие часть электронов основному металлу, превращаются в положительные ионы и образуют на поверхности металла двойной электрический слой (рис.5.5).

Рис.5.5. Электрическое поле между металлом и положительными

ионами активирующего вещества

Электрическое поле этого слоя является ускоряющим для электронов, стремящихся выйти из металла, и работа выхода уменьшается. Наименьшая работа выхода получается, когда положительные ионы примеси располагаются одноатомным слоем.

Поле между пленкой активирующего вещества и основным металлом аналогично полю в конденсаторе с обкладками в виде металлических сеток (решеток). В конденсаторе поле существует только между обкладками, и если через отверстие отрицательно заряженной обкладки в это поле попадет электрон, то он с увеличенной скоростью вылетит через отверстие положительно заряженной обкладки.

Атомы некоторых веществ при соприкосновении с металлом отбирают у него электроны и превращаются в отрицательные ионы. Слой таких атомов на поверхности металла препятствует электронной эмиссии. Между этими атомами и основным металлом возникает поле, тормозящие эмитируемые электроны, и работа выхода возрастает.

Например, атомы кислорода на поверхности вольфрама увеличивают 114аботу выхода до 9,2 ЭВ. Говорят, что металл понижает эмиссионную способность вследствие «отравления» кислородом. При устройстве катодов обычно создают на поверхности основного металла активирующие слои, уменьшающие работу выхода, и принимают меры к тому, чтобы поверхность катода не «отравлялась» атомами кислорода.

Можно также уменьшить работу выхода путем покрытия поверхностей металлов слоями окислов щелочных и щелочноземельных металлов, называемых оксидами. Тогда, работа выхода получается еще меньше, чем в случае одноатомных пленок.