Лекция 15

1. Работа выхода электронов из металлов.

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в вакуум.

Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода.

Работа выхода имеет величину порядка нескольких эВ и зависит от рода металла и состояния его поверхности: загрязнения и следы влаги изменяют ее. Наиболее быстро движущиеся электроны покидают металл на расстоянии нескольких межатомных расстояний. В результате в этом месте возникает избыток положительных зарядов, а вблизи поверхности проводника образуется электронное облако.

Возникает двойной электрический слой, поле которого подобно полю тонкого плоского конденсатора. Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла. Таким образом, электрон при вылете из металла

должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя. Разность потенциалов в этом слое называется поверхностным скачком потенциала или контактной разностью потенциалов между металлом и вакуумом и определяется работой выхода А электрона из металла

,

- заряд электрона.

Виды эмиссии. Термоэлектронная эмиссия.

Если сообщить электронам в металле энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего наблюдается явлении е испускания электронов, или электронной эмиссии. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают:

1). Холодную эмиссию – вырывание электронов из металла под действием сильного электрического поля.

2). Вторичную эмиссию – при бомбардировке металла сильно разогнанными электронами.

3). Фотоэмиссию (фотоэффект) – в результате освещения поверхности металла.

4). Термоэлектронную эмиссию – испускание электронов нагретым металлом.

2. Контактная разность потенциалов

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Итальянский физик Вольта (1745-1827) установил, что если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd привести в контакт в указанной последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих зарядится положительно. Этот ряд называется рядом Вольта. Вольта экспериментально установил два закона:

1). Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.

2). Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Эти законы можно объяснить на основе классической электронной теории проводников.

Электроны, оказавшиеся у поверхности раздела металлов, легче переходят из металла, где работа выхода меньше, в металл, где работа выхода больше, .

Схема энергетических уровней металлов до соединения (а) и после соединения (б).

Металл 1 заряжен положительно, металл 2 – отрицательно. Возникает контактная разность потенциалов. Переход электронов будет происходить до тех пор пока работа по перемещению электрона за счет контактной разности потенциалов не станет равной разности работ выхода.

(1)

Разность потенциалов, возникающая за счет разных работ выхода, называется внешней контактной разностью потенциалов. Кроме внешней контактной разности потенциалов существует внутренняя разность потенциаловза счет разных концентраций свободных электронов в контактирующих металлах ,.и.зависит от температуры. Как правило

,

(2)

может действовать как в одном, так и в другом направлении.

(3)

Формула (3) – математическое выражение первого закона Вольта. Для доказательства второго закона приведем в соприкосновение три проводника. Разность потенциалов между концами разомкнутой цепи равна алгебраической сумме скачков потенциалов во всех контактах

.

Пользуясь формулой (3), получим

⁼

,

То есть - не зависит от промежуточных проводников.

Если из рассмотренных металлов составить замкнутую цепь, то - равна алгебраической

сумме всех скачков потенциалов при обходе цепи.

.

При образовании замкнутой цепи из нескольких разнородных проводников при одинаковой Т, невозможно возникновение э.д.с. только за счет скачка потенциалов.