§ 71 Работа выхода. Контактные явления в металлах.
Как показывает эксперимент, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл, что свидетельствует о наличии в поверхностном слое задерживающего поля.
Работой выхода называется минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы вывести его из твердого тела в вакуум.
С точки зрения классической физики наличие удерживающего поля объясняется возникновением на границе металла двойного электрического слоя, состоящего из положительных ионов и электронного облака, толщиной порядка 10-10-10-9м, которое препятствует вылету электронов.
Согласно зонной теории при температурах вблизи абсолютного нуля должны быть заполнены последовательно без промежутков все энергетические состояния электронов, начиная с уровня с наименьшей энергией, и существует резкая граница между заполненными и свободными уровнями.
При более высоких температурах эта граница размывается и ширина переходной зоны от практически полностью заполненных уровней до практически полностью свободных порядка kT.
Наивысший занятый электронами
уровень называется уровнем Ферми, а
соответствующая ему энергия – энергией
Ферми (
или
ЕF). Следовательно,
работа выхода равна работе перемещения
электрона с уровня Ферми за пределы
твердого тела, т.е. определяется разностью
энергии свободного электрона и его
энергией на уровне Ферми:
(рис.205). В соответствии с этим говорят,
что электроны внутри твердого тела
находятся в потенциальной яме, глубина
которой равна работе выхода.
РИС.205 РИС.206
На рис.205а представлена потенциальная яма для металлов, а на рис.205б – для диэлектриков. Ев и Еп - валентная и зона проводимости соответственно.
Работа выхода зависит от химического строения металла и чистоты поверхности. Она составляет 4,53 эВ для молибдена, 4,39 – для меди, 6,3 эВ – для платины, и может быть изменена нанесением покрытия на поверхность металла. Например, покрытие молибдена оксидом кальция или бария снижает работу выхода до 2,2 эВ.
В 1797 г. итальянский физик А.Вольта экспериментально установил, что если ряд металлов привести в контакт в определенной последовательности: Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из последующих заряжается положительно. Этот ряд называется рядом Вольта, а возникающие контактные разности потенциалов составляют от нескольких десятых вольта до целых вольт.
Вольт экспериментально установил два закона для этого ряда последовательно соединенных металлов.
1.Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.
2.Контактная разность между концами ряда 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.
С точки зрения классической теории возникающая при контакте разность потенциалов обусловлена различиями в концентрации свободных электронов и разными работами выхода.
Согласно зонной теории при контакте двух металлов с различными работами выхода А1<А2, а следовательно, различными уровнями Ферми (рис.206а), происходит переход электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие (рис.206б). Этот процесс продолжается до совпадения заполненных уровней, т.е. равенства энергии электронов в обоих металлах.
Между внутренними точками металлов,
в контактном слое порядка 10-10м,
возникает внутренняя разность потенциалов
.
Из равенства энергий электронов:
следует, что внутренняя разность
потенциалов:
.
Между внешними не контактирующими поверхностями металлов возникает внешняя разность потенциалов, которую можно определить, выразив работу выхода для каждого металла как разность энергий электрона вне металла и внутри металла:
и
При контакте внутренние энергии равны
и внешняя разность потенциалов
.
Измерить эту разность потенциалов для
металлов находящихся в воздухе достаточно
трудно из-за сорбции на поверхности
ионов.
Необходимо отметить, что аналогичные процессы возникают при контактах металлов и с веществами, которые при реальных температурах относят к диэлектрикам или полупроводникам.