1.3. Работа выхода

Работой выхода электрона из металла называется работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в вакуум. Работа выхода считается от уровня Ферми до нулевого уровня (за нулевой уровень принято значение энергии электрона в вакууме), на рис.3 и 4 она обозначена А.

Величина работы выхода электрона для каждого металла имеет свое значение и очень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности, к ее чистоте. Нанесение, к примеру, на поверхность вольфрама слоя окисла щелочноземельного металла (Ca, Ba) снижает работу выхода с 4,5 эВ (для чистого металла) до 1,5 - 2 эВ.

Работа выхода для металлов имеет порядок нескольких электрон-вольт. Произведение kТ, определяющее порядок величины энергии теплового движения (k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура), при комнатной температуре (300 К) равно 0,026 эВ, поэтому при комнатных температурах большинство электронов проводимости связанно в пределах металла.

Однако электронам можно сообщить различными способами дополнительную энергию, при этом наблюдается явление испускания электронов металлом или электронная эмиссия. Типы электронной эмиссии различны:

- термоэлектронная эмиссия - электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении температуры тела;

- фотоэмиссия и фотоэлектрический эффект - при освещении металла светом;

- вторичная электронная эмиссия - при бомбардировке металла извне какими-либо частицами (электронами, ионами).

В данной работе определяется работа выхода электрона из металла при термоэлектронной эмиссии.

Из рис.3 видно, что при повышении температуры имеется относительно небольшое число электронов, энергия которых достаточна для выхода электрона из металла. За счет этих наиболее быстрых электронов и осуществляется термоэлектронная эмиссия.

1.4. Уравнение термоэлектронной эмиссии

Из закона распределение электронов по энергиям (1) можно получить выражение для числа электронов n, влетающих в единицу времени с единицы площади поверхности металла:

, (2)

где B₀ - постоянная, А - работа выхода электрона, k- постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, e - основание натурального логарифма.

Умножив число вылетающих электронов на заряд электрона q, получим плотность тока насыщения j_HAC в виде:

, (3)

где B = B₀ q

Формула (3) называется уравнением термоэлектронной эмиссии.

В настоящей работе изучается термоэлектронная эмиссия в вакуумной лампе с вольфрамовым катодом. Если накалить катод лампы и постепенно увеличить анодное напряжение, анодный ток будет увеличиваться, пока не достигнет насыщения (рис.4). Ток насыщения это и есть ток эмиссии, плотность которого определяется уравнением термоэлектронной эмиссии (3).

Увеличение анодного тока при малых анодных напряжениях связано с тем, что анод притягивает электроны из области пространственного заряда вблизи катода. В этих условиях анодный ток J_A пропорционален анодному напряжению в степени три вторых (Закон Богусловского-Лэнгмюра):

, (4)

где  - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы электродов лампы.

Насыщение анодного тока наступает тогда, когда все электроны, испускаемые катодом в единицу времени, попадают в анод. Поэтому при дальнейшем увеличении анодного напряжения анодный ток уже не может увеличиваться.

При увеличении тока накала, а, следовательно, температуры Т катода, ток эмиссии возрастает (рис.5).