Работа выхода электронов из металла. Эмиссионные явления (термоэлектронная, фотоэлектронная, вторичная электронная и автоэлектронная эмиссии).
Работа выхода (
)
— это минимальная энергия, которую
необходимо сообщить электрону, чтобы
он смог преодолеть потенциальный барьер
на границе раздела металл-вакуум (или
металл-диэлектрик) и покинуть металл.
Внутри металла электроны удерживаются силами притяжения со стороны положительно заряженной кристаллической решётки. Чтобы вырваться, электрону нужно совершить работу против этих сил.
Работа выхода — характеристика вещества, которая зависит от:
Природы металла (химического состава).
Состояния его поверхности (наличия оксидных плёнок, адсорбированных атомов).
В физике твёрдого тела
и электронике обычно измеряется в
электрон-вольтах (
).
Электронная эмиссия — это процесс испускания электронов с поверхности твёрдого тела (обычно металла) в окружающее пространство. Эмиссия возникает, когда энергия, сообщаемая электронам, превышает работу выхода.
Различают четыре основных типа эмиссии в зависимости от источника сообщаемой энергии:
1. Термоэлектронная Эмиссия
Эмиссия электронов,
вызванная нагреванием металла до
высоких температур. При высокой
температуре тепловая энергия, получаемая
свободными электронами, становится
достаточной для преодоления потенциального
барьера (
).
Применяют в электронных лампах, катоды
в электронно-лучевых трубках.
2. Фотоэлектронная Эмиссия (Фотоэффект)
Эмиссия электронов,
вызванная падением на поверхность
металла электромагнитного излучения
(света, ультрафиолета, рентгеновского
излучения). Энергия падающего фотона
(
)
передаётся электрону. Если
,
электрон вырывается из металла.
(Уравнение Эйнштейна для
фотоэффекта).
Применяют: Фотоэлементы, солнечные батареи, датчики изображения (фотоумножители).
3. Вторичная Электронная Эмиссия
Эмиссия электронов, вызванная бомбардировкой поверхности металла пучком быстрых первичных электронов (или других заряженных частиц). Энергия первичных электронов передаётся электронам металла, выбивая их. Вылетающие электроны называются вторичными электронами.
Применяют: Электронные микроскопы, электронные умножители, усилители тока.
4. Автоэлектронная Эмиссия (Холодная Эмиссия, Полевая Эмиссия)
Эмиссия электронов,
вызванная приложением к поверхности
металла очень сильного внешнего
электрического поля (
).
Суть: Сильное поле значительно
искажает (сужает) потенциальный
барьер на поверхности металла. Благодаря
квантово-механическому эффекту
туннелирования, электроны могут
проходить через этот суженный барьер,
даже не имея достаточной энергии для
его преодоления. Происходит при комнатной
температуре.
Применяют: Источники электронов в специальных электронных приборах, автоэмиссионные дисплеи.
Проводимость газов (ионизация). Несамостоятельный разряд.
Обычно газы являются отличными диэлектриками (изоляторами), поскольку в нормальных условиях их молекулы нейтральны и содержат очень мало свободных носителей заряда.
Проводимость газов (газовый разряд) возникает только при наличии в газе свободных ионов и электронов. Это достигается путём ионизации газа.
Ионизация — процесс образования положительных ионов и свободных электронов из нейтральных атомов или молекул газа.
Рекомбинация — обратный процесс, когда положительный ион захватывает свободный электрон, образуя нейтральную частицу.
Носители заряда в газах:
Свободные электроны (образуются при ионизации).
Положительные ионы (образуются при потере электронов).
Отрицательные ионы (образуются при захвате электрона нейтральной молекулой).
Несамостоятельный разряд — это электрический ток в газе, который существует только при наличии внешнего ионизатора.
Приложенное электрическое поле не способно самостоятельно создать или поддерживать достаточную концентрацию носителей заряда.
Внешние факторы, вызывающие ионизацию:
Высокоэнергетическое излучение (рентгеновское, ультрафиолетовое, гамма-излучение).
Радиоактивное излучение ( -,
-частицы).Нагрев газа.
Характеристики несамостоятельного разряда:
Вольт-амперная характеристика (ВАХ): Зависимость силы тока ( ) от приложенного напряжения ( ) имеет три характерных участка :
Начальный участок (I): При малом , ток растёт линейно (подчиняется Закону Ома).
Участок насыщения (II): При увеличении , ток достигает тока насыщения (
).— это максимальный ток, который может создать данный ионизатор. Все носители заряда, создаваемые ионизатором в единицу времени, успевают достичь электродов, и скорость рекомбинации становится незначительной.
Участок пробоя (III): При очень высоких напряжениях ток начинает резко возрастать, переходя в самостоятельный разряд.