Закон Видемана-Франца. Затруднения классической электрон­ной теории

Известно, что металлы наряду с высокой электропроводностью обладают также большой теплопроводностью. Видеман и Франц в 1853 г. эмпирически установили закон: отношение коэффициента теплопроводности χ к коэффициенту электропроводности γ для всех металлов приблизительно одинаково и прямо пропорционально аб­солютной температуре

.

Таким образом, классическая электронная теория хорошо объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца, позволяет выразить удельную тепло­проводность через атомарные постоянные металла, объясняет зави­симость электропроводности от температуры и позволяет понять связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов.

Однако в некоторых вопросах, классическая электронная теория приходит к выводам, находящимся в противоречии с опы­том.

1. Исходя из классической электронной теории, удельная электро-проводность равна

,

откуда

, но , т.е. <v_T> ∼ .

Следовательно, по теории ρ ∼ ,тогда как на практике

,

т.е. удельное сопротивление пропорционально первой степени тем­пературы Т.

Кроме того, согласно классической электронной теории удельное сопротивление ρ должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь при всех температурах по значению конечным. Это и наблюдается при сравнительно высоких температурах. Однако при достаточно низ­ких температурах удельное сопротивление перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения, кото­рое называютостаточным сопротивлением (велико у сплавов, су­ществует у чистых металлов и тем меньше, чем чище металл и меньше структурных дефектов).

Если понижать температуру еще ниже, то в некоторых веществах наблюдается явление сверхпроводи­мости, т.е. удельное сопротивление внезапно скачком уменьшается прак­тически до нуля (рис. 96). В сверхпро­водниках однажды возбужденный электрический ток может длительно существовать без источника тока (в течение нескольких суток). В таком состоянии не выполняется за­кон Ома.

2. Другим затруднением классической электронной теории металлов может служить теория теплоемкости кристаллов. Со­гласно этой теории “электронный газ” металлов должен обладать молярной теплоемкостью . Добавляя эту теплоемкость к тепло­емкости кристаллической решетки, составляющей 3R, получим для молярной теплоемкости металла значение (9/2)R. Таким образом, согласно классической электронной теории молярная теплоемкость металла должна быть в 1,5 раза выше, чем у диэлектриков. Однако на практике их молярные теплоемкости практически не различа­ются. Объяснение этих различий и явлений дается в рамках кванто­вой теории металлов.

В классической теории неверным является предположение, что электроны проводимости подчиняются законам статистики Максвелла-Больцмана и что для них справедлив закон распределе­ния по энергии Максвелла. На самом деле они подчиняются законам квантовой статистики и закону распределения по энергии Ферми-Ди­рака.

Энергия электронов в металлах слабо зависит от темпера­туры и теплоемкость электронного газа оказывается близка к нулю, поэтому наличие электронного газа в металлах практически не ска­зывается на теплоемкости.

Далее, в классической электронной теории не учитывается взаимодействие электронов друг с другом, а их взаимодействие с решеткой металла описывается с помощью представления о соуда­рениях. При низких температурах взаимодействие между электро­нами начинает играть решающую роль. Кроме того, оказалось, что взаимодействие электронов с решеткой имеет иной характер – электроны движутся в периодическом поле электрического потен­циала решетки.

И, наконец, движение электронов в металлах подчиняется законам квантовой, а не классической механики.

Электронная эмиссия. Ток в газах.

Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия

Электроны проводимости в металлах образуют своеобразный электронный газ и участвуют в тепловом движении. Но поскольку они удерживаются в объеме металла, а не разлетаются из него, значит, вблизи поверхности металла существуют силы, действующие на элек­троны и направленные внутрь металла. Для того чтобы электрон вы­вести за пределы металла необходимо совершить определенную ра­боту против удерживающих его сил.

Работой выхода А электрона из металла называется работа, которую нужно совершить при удалении электрона из металла в ва­куум.

Электрон – заряженная частица и сила, препятствующая его выходу из металла, имеет электрическую природу. Существуют две наиболее вероятные причины возникновения этой силы, а следова­тельно, и работы выхода.

Электрон, обладая достаточной кинетической энергией, может покинуть поверхность металла. На поверхности металла в результате этого индуцируется положительный заряд, отчего между электроном и металлом возникает сила притяжения, препятствующая удалению электрона. Работа этой силы представляет часть работы выхода.

Электроны вследствие хаотического движения способны пере­секать поверхность металла и удаляться от нее на малые расстояния. При этом число электронов, покидающих поверхность металла, равно числу электронов, возвращающихся в металл и на границе металл-ва­куум поддерживается динамическое равновесие электронов.

Над поверхностью металла, таким образом, существует элек­тронная “атмосфера “, т.е. у поверхности образуется как бы двойной электрический слой, напоминающий заряженный плоский конденса­тор ( рис.97 ).

Рис. 97

Электрическое поле такого двойного электрического слоя заключено в малом зазоре над поверхностью металла, и прохождение электрона через этот двойной электрический слой сопровождается совершением определенной работы, связанной с разностью потенциалов А = е φ. Величину φ называют потенциальным барьером. Полная работа вы­хода электрона обуславливается обеими этими причинами.

Если электрон внутри металла имеет кинетическую энергию

,

то он может покинуть объем металла. Работа выхода для металлов имеет порядок величины несколько эВ. Энергия же теплового движения электронов в металле при комнатной температуре (Т ≃ 300⁰К) имеет величину порядка ∼ 0,03 эВ. По­этому подавляющее большинство электронов будет связано в преде­лах металла. Однако, если электронам сообщить дополнительную энергию, то часть из них получает возможность покинуть металл и мы наблю­даем явление испускания электронов, называемое электронной эмис­сией. Различают различные типы электронной эмиссии. Если элек­троны получают энергию за счет тепловой энергии при повышении температуры, то такая эмиссия называется термоэлектронной. При подведении энергии светом наблюдается фотоэмиссия, при бомбар­дировке поверхности какими-либо частицами наблюдается вторич­ная электронная эмиссия. Эмиссия под действием сильного элек­трического поля называется автоэлектронной. Термоэлектронную

эмиссию можно наблюдать в электронной лампе – электрова­куумном диоде (рис. 98), состоящем из анода А и накаливаемого катода К, включенных в элек­трическую цепь. Ток диода (анодный ток) зависит от величины анодного напряжения в степени 3/2, так называемый “закон трех вторых”: I = c· U^3/2, где U – анодное напряжение; с – const. Плотность тока насыщения, когда все вылетающие с катода электроны (при дан­ной температуре катода) достигают анода, определяют по формуле Ричардсона-Дэшмана

,

где А – постоянная Ричардсона-Дэшмана =6,02·10⁵А/м²·К², Т – абсолютная температура катода, – работа выхода материала катода,k – постоянная Больцмана.