14. Вплив поверхні на енергію зв’язку електрона.

Енергія зв'язку (для даного стану системи) - різниця між повною енергією пов'язаного стану системи тіл або часток і енергією стану, в якому ці тіла або частки нескінченно віддалені один від одного і знаходяться в стані спокою:

де - Енергія зв'язку компонентів в системі з i компонент (часток),- Повна енергія i-го компонента в незв'язаному стані (нескінченно віддаленої спочиває частки) і- Повна енергія пов'язаної системи.

Для системи, що складається з нескінченно віддалених покояться частинок енергію зв'язку прийнято вважати рівною нулю, тобто при утворенні зв'язаного стану енергія виділяється. Енергія зв'язку дорівнює мінімальній роботі, яку необхідно затратити, щоб розкласти систему на складові її частки і характеризує стабільність системи: чим вище енергія зв'язку, тим система стабільніше.

Для валентних електронів (електронів зовнішніх електронних оболонок) нейтральних атомів в основному стані енергія зв'язку збігається з енергією іонізації, для негативних іонів - зі спорідненістю до електрона.

Енергії хімічного зв'язку двоатомної молекули відповідає енергія її термічної дисоціації становить порядку сотень кДж / моль.

Енергія зв'язку адронів атомного ядра визначається сильною взаємодією. Для легких ядер вона складає ~ 0.8 МеВ на нуклон.

До складу атомних ядер входить лише два види елементарних частинок –– протони і нейтрони.

Протон має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, тобто елементарному заряду е=1,6021*10^-19Кл, і масу спокою m_p=1,6726*10^-27кг. Нейтрон не має заряду, а його маса трохи більша маси протона: m_n=1,6749*10^-27кг. Протон позначають буквою n. Загальна назва цих частинок –– нуклони.

Нуклони міцно зв’язані в ядрі атома ядерними силами. Для розриву цього зв’язку необхідно затратити деяку кількість енергії.

Енергія, необхідна для розриву зв’язку нуклонів ядра, яка називається енергією зв’язку, повинна бути менша енергії роз’єднаних нуклонів на величину енергії зв’язку ядра . З іншого боку, згідно закону пропорційності маси і енергії, зміна енергії системи ΔW супроводжується пропорційною зміною маси системи Δm:

• , де с–– швидкість світла в вакуумі. Оскільки в даному випадку ΔW є енергією зв’язку ядра , то маса атомного ядра повинна бути менша суми мас нуклонів, що складають ядро, на величину Δm, яка називається дефектом маси ядра. За даною формулою можна розрахувати енергію зв’язку ядра ,якщо відомий дефект маси цього ядра Δm.

15. Робота виходу.

При зближенні атомів і утворенні з них кристалів потенціальні бар'єри для електронів, що відділяють сусідні атоми, знижуються і звужуються. Потенціальний же бар'єр біля поверхні кристала (біля зовнішньої його межі) залишається практично таким же високим, як і у ізольованих атомів (рис. 6.1, а). Тому електрони в кристалі знаходяться ніби в потенціальній ямі, вихід з якої вимагає витрати роботи з подолання сили, діючої на них з боку кристала. Для металів вираз для цієї сили легко визначити з таких міркувань.

Електрон, що вийшов з металу і знаходився біля його поверхні на відстані х (рис. 6.1, б), індукує в металі заряд +q. Цей наведений заряд діє на електрон, що вийшов, так, ніби він був зосереджений під поверхнею металу на глибині х в точці, симетричній тій, в якій знаходиться електрон. Індукований заряд + називають тому електричним зображенням заряду – .Він притягує електрон з силою

               ,                              (6.1)

названою силою електричного зображення.

На відстані х₀ від поверхні кристала рівної або менше міжатомної, визначити сили, що утримують електрон в кристалі, досить важко і вираз (6.1) для х < х₀ не використовується. Але, на щастя, для більшості практично важливих завдань достатньо знати лише повну висоту бар'єра, що розрахована від дна зони, провідності Е_с названу зовнішньою роботою виходу (work out) х_вн (рис. 6.1, в), висоту бар'єра, що розрахований від рівня Фермі, яку називають термодинамічною роботою виходу x₀ (рис. 6.1,в), і, нарешті, потенціал сили дзеркального зображення при х > х₀, який може бути знайдений шляхом інтеграції виразу (6.1).

Для напівпровідника або діелектрика (рис. 6.2) термодинамічна робота виходу x₀ не відповідає роботі виходу якого-небудь реального електрона, якщо рівень Фермі лежить в забороненій зоні і не збігається ні з яким рівнем домішки.

Великий вплив на роботу виходу роблять мономолекулярні адсорбційні шари. На рис. 6.3, а показаний одноатомний шар цезію, що покриває поверхню вольфраму. Цезій є лужним металом. Його зовнішній валентний електрон пов'язаний з ядром значно слабкіше, ніж валентні електрони у вольфрамі.

Малюнок 3Робота виходу електронів з металу

Тому при адсорбції атоми цезію віддають вольфраму свої валентні електрони і перетворюються на позитивно заряджені іони. Між цими іонами і їх електричним зображенням у вольфрамі виникає сила тяжіння, що утримує іони на поверхні вольфраму. При покритті вольфраму одноатомним шаром цезію виникає подвійний електричний шар, зовнішня сторона якого заряджена позитивно. Поле подвійного шару допомагає виходу електрона з вольфраму, тому у присутності шару цезію робота виходу електронів з вольфраму зменшується з 4,52 до 1,36 еВ. Подібно цезію діють одноатомні шари інших електропозитивних металів – барію, церію, торію і т.д.