Вопрос 2.9. Термоэлектронная эмиссия. Работа выхода электронов.

При своем хаотичном тепловом движении некоторые свободные электроны металла выходят за пределы металла и отдаляются на несколько межатомных расстояний. На поверхности металла образуется отрицательно задержанное электронное облако. Сама поверхность металла заряжается положительно. У поверхности металла возникает так называемый двойной электронный слой. Поле данного двойного слоя подобно полю плоского конденсатора. Это поле удерживает электроны у поверхности металла и препятствует выходу сводных электронов за пределы металла. Между поверхностью металла и электронным облаком образуется разность потенциалов: ∆φ=φ₁-φ₂, которая называется поверхностным скачком потенциала.

Обычно за пределами металла потенциал считают равным нулю, φ₂=0. поэтому ∆φ=φ₁.

Потенциальная энергия свободных электронов внутри металла отрицательна W_n=-eφ₁<0 – электронное сродство.

электроны в металле находятся внутри потенциала с плоским дном, глубинной W_n.

Кроме потенциальной энергии электроны обладают кинетической энергией хаотического движения. W_k>0

Полная энергия: W=Wn+W_k; |W_n|>|W_k|, поэтому W<0

Электроны которые обладаю максимальной кинетической энергией считаются находящиеся на уровне Ферми. - уровень Ферми (электрохимический потенциал металла).

Чтобы свободные электроны могли покинуть предел металла они должны преодолеть задерживающие действия двойного электрического слоя у поверхности металла в поле между положительной поверхностью металла и отрицательным электронным облаком подобно полю плоского конденсатора и удерживает электроны внутри металла.легче всего могут покинуть пределы металла электроны, обладающие максимальной кинетической энергией, т.е. находящиеся на уровне Ферми.

Минимальная энергия, которая необходимо сообщить электронам, чтобы они могли покинуть пределы металла называется работой выхода электронов. - работа выхода. Энергия электронов за пределами металлов считается равной нулю, работу выходя измеряется в электрон-вольтах [A]=ЭВ. 1Эв – это энергия, которую приобретает элементарный заряд ускоряясь под разностью потенциалов 1В. 1ЭВ=1,6*10^-19Кл*1В=1,6*10^-19Дж.

Для большинства металлов работа выхода лежит в пределах A=1÷5 Эв; Вольфрам W: А=4,3 ЭВ.

Работа выхода зависит как от химического состава металла так и от состояния его поверхности. Покрывая поверхность металла окислами щелочно-земельных элементов. Можно уменьшить работу выхода электронов. Величина φ`=A/e – контактный потенциал металла.

Термоэлектронные эмиссии используются в электронно-вакуумных лампах и электронно-лучевых трубках. Свойства термоэлектронной эмиссии можно изучать с помощью двухэлектронной электронно-вакуумной лампы(электронно-вакуумный диод).K- катод, А – анод, С помощью батареи анода между которыми создается разность потенциалов. U_a –анодное напряжение. Направленное движение термоэлектронов из катодов к аноду представляют анодный ток.

Сначала с увеличением анодного напряжение силы анодного тока не линейно возрастают I_a=BU_a^3/2 – формула Богуславского-Ленгмюра.

Плотность тока насыщения определяется формулой -формула Ричарда-Дэлмана.r-коэффициент отражения электронов от катода,