Энергия электронов в металле энергия ферми работа выхода

Обновлено: 14.05.2024

В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:

W_p = -eφ,где j – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.

В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.

Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля.

Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми E_F . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ и энергии Ферми.

где φ' – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.

2)Работа выхода электронов из металла — работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум. Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности. Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно изменить работу выхода.

Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ):1эВ равен работе, которую совершают силы поля при перемещении элементарного электрического заряда между точками разность потенциалов между которыми равна 1В. Так как e 1,610–19 Кл, то 1эВ=1,610–19 Дж.

1. Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретыми металлами. Пример использования – электронные лампы.

2. Фотоэлектронная эмиссия — эмиссия электронов из металла под действием электромагнитного излучения. Пример использования — фотодатчики.

3. Вторичная электронная эмиссия — испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Отношение числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1 , вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:n2 n1 . Пример использования — фотоэлектронные умножители.

4. Автоэлектронная эмиссия — эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля.

5 Вопрос. Электрический ток в вакууме (объяснение ВАХ вакуумного диода).

Что такое вакуум?
- это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет;

- электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;
- создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;
- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия
- это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.
Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него ( т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).
Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

Вакуумный диод
Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.
Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод - это двухэлектродная ( А- анод и К - катод ) электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление

Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает
постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.

Вольтамперная характеристика вакуумного диода.

При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.
Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.
Ток на входе диодного выпрямителя:

Ток на выходе выпрямителя:

Электронные пучки
- это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.
Свойства электронных пучков:
- отклоняются в электрических полях;
- отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
- при торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;
- вызывает свечение ( люминисценцию ) некоторых твердых и жидких тел ( люминофоров );
- нагревают вещество, попадая на него.

Электронно - лучевая трубка ( ЭЛТ )
- используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.

ЭЛТ состоит из электронной пушки, горизонтальных и вертикальных отклоняющих
пластин-электродов и экрана.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.
Существуют два вида трубок:
1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь эл.полем);
2) с электромагнитным управлением ( добавляются магнитные отклоняющие катушки ).
Основное применение ЭЛТ:
кинескопы в телеаппаратуре;
дисплеи ЭВМ;
электронные осциллографы в измерительной технике.

6 Вопрос. Электрический ток в газах (ВАХ газового разряда). Несамостоятельный и самостоятельный разряд.

В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Газ-проводник - это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.

Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.

Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.

Ионизация газа

- это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны путем отрыва электронов от атомов. Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучений (УФ, рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.

Газовый разряд
- это эл.ток в ионизированных газах.
Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

Рекомбинация заряженных частиц

- газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит в следствие рекомбинации ( воссоединения противоположно заряженных частиц).

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный газовый разряд
- если действие ионизатора прекратить , то прекратится и разряд.

Когда разряд достигает насыщения - график становится горизонтальным. Здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора.

Самостоятельный газовый разряд
- в этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации ( = ионизации эл. удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами ( возникает электронная лавина).
Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Ua = Uзажигания.

7 Вопрос. Механизм возникновения самостоятельного газового разряда.

Чтобы разряд стал самостоятельным, каждый вырванный с катода электрон в результате цепочки взаимодействий должен вырвать с катода по крайней мере еще 1 электрон. Вспомним, что при ионизации атома электроном помимо свободного электрона возникает еще и ион, который движется под действием поля в противоположном электронам направлении – к катоду. В результате столкновения иона с катодом с последнего может быть эмитирован электрон (этот процесс называется вторичной электронной эмиссией). Сам механизм соответствует темному самостоятельному разряду. То есть при таких условиях не происходит генерация излучения. Падающий характер этого участка объясняется тем, что при больших токах нужны меньшие энергии электронов для сохранения самостоятельности разряда и, следовательно, меньшие ускоряющие поля.

Работа выхода электронов из металла. Контактные явления

Электроны проводимости в кристалле находятся в потенциальной яме. Выход из нее требует совершения работы по преодолению силы, действующей на электрон со стороны кристалла. Найдем эту силу. Обладая энергией теплового движения, электроны могут выскакивать из кристалла на расстояние в несколько периодов. Вышедший из кристалла и находящийся у его поверхности на расстоянии х электрон индуцирует в металле заряд е₊ (рис.97). Этот наведенный заряд действует на вышедший электрон так, как если бы он был сосредоточен под поверхностью металла на глубине х в точке, симметричной той, в которой находится электрон (см. Эл-во §5). Индуцированный заряд е₊ называется электрическим изображением заряда е_-. Оба точечные заряда притягиваются друг к другу с силой Кулона . (14.1)

Но это и есть сила притяжения металлом вышедшего из него электрона. Под действием этой силы электрон втягивается обратно в металл. Чтобы удалить электрон из металла, надо совершить работу по преодолению этой силы, перемещая электроны на бесконечность из точки, расположенной на расстоянии х₀ от поверхности металла. В качестве х₀ можно взять межатомное расстояние.

На рис.98 показана зависимость потенциальной энергии электрона от расстояния х до атомной плоскости – стенки металла. Энергетическое расстояние еj от уровня Ферми до нулевого уровня называют термодинамической работой выхода электрона, величину j – потенциалом выхода. Уровень Е_с обозначает дно зоны проводимости, где Е = 0. У металлов работа выхода еj заключена в пределах 1,8 ¸ 5,3 эВ. Меньше всего она у щелочных металлов, больше – у золота, серебра, платины (табл. 14.1).

Таблица 14.1
Металл	еj, эВ	Металл	еj, эВ
Литий Li	2,38	Платина Pt	5,32
Натрий Na	2,35	Ванадий V	4,58
Калий К	2,22	Вольфрам W	4,54
Рубидий Rb	2,16	Золото Au	4,30
Цезий Cs	1,18	Серебро Ag	4,30

Большое влияние на работу выхода оказывают мономолекулярные адсорбированные слои. Например, слой атомов цезия Cs на вольфраме W (рис.99). Цезий щелочной металл. Его внешний, валентный электрон связан с ядром значительно слабее, чем валентные электроны в вольфраме. Поэтому атомы цезия отдают вольфраму свои валентные электроны и превращаются в положительные ионы. Между этими ионами и их электрическими изображениями в вольфраме возникает сила притяжения, удерживающая ионы цезия на поверхности вольфрама. Поле этого двойного электрического слоя помогает выходу электронов из вольфрама. По этому в присутствии слоя цезия работа выхода электрона из вольфрама уменьшается с 4,54 эВ до 1,38 эВ. Подобно цезию действуют одноатомные слои бария Ba, церия Cе, тория Th и др.

2. Термоэлектронная эмиссия.

С повышением температуры металла поверхность Ферми разрыхляется, энергия электронов увеличивается, и они поднимаются на более высокие уровни (рис.100). Соответственно уменьшается работа выхода электронов. Поэтому концентрация вылетевших из кристалла электронов в пристеночном слое растет. Процесс испускания электронов нагретым металлом называется термоэлектронной эмиссией.

Формально термоэлектронная эмиссия есть всегда, когда Т > 0 К. Но заметной она становится при температурах Т > 800 К.

Облако термоэлектронов находится в динамическом равновесии. Число вылетевших из металла электронов в каждый промежуток времени примерно равно числу электронов, втянутых в металл. Поэтому суммарный ток эмиссии равен нулю.

На основе термоэлектронной эмиссии построен ламповый вакуумный диод (рис.101). Здесь К – катод, обычно нагреваемая вольфрамовая спираль, А – анод, холодная металлическая пластина обычно цилиндрической формы. По оси этого цилиндра натягивается спираль катода. Оба электрода помещаются в стеклянный сосуд с высоким вакуумом.

Если между катодом и анодом создавать электрическое поле с напряжением U, как показано на рис.101, то термоэлектроны под действием этого поля будут перемещаться от катода к аноду. Возникает электрический ток в вакууме. Вольтамперная характеристика вакуумного диода показана на рис.102. С повышением анодного напряжения U ток I через анод растет почти пропорционально U. Но при достижении некоторого значенья I_нас перестает увеличиваться. Это предельное значение I_нас называют ток насыщением. Он возникает тогда, когда все электроны, вылетевшие из нагретого катода, захватываются полем и переносятся к аноду.

С повышением температуры катода ток насыщения увеличивается. Разделив ток насыщения на поверхность S катода, получаем плотность тока насыщения j_нас = i_насçS. В 1901г. Оуэн Ричардсон, исходя из классических представлений, теоретически нашел зависимость плотности тока насыщения от температуры поверхности катода. Уточненная Дешманом в 1923г. с учетом квантовых представлений, зависимость j_нас(Т) имеет вид: . Формула Ричардсона-Дэшмана (14.2)

Здесь еj – работа выхода, А – константа, имеющая разное значение у разных металлов и колеблющаяся около теоретического значения А= 1,2·10 6 Аç(м 2 К 2 ).

3. Контактная разность потенциалов.

Рассмотрим процессы, происходящие при контакте двух разных металлов. Допустим, до электрического контакта металл 1 (на рис.103 слева) имеет работу выхода еj₁, а работа выхода металла 2 больше, j₂ > j₁.

Приведем металлы в состояние электрического контакта, то есть сблизим их до такого расстояния, при котором возможен эффективный обмен электронами. Поскольку работа выхода электронов из металла 2 больше, то уровень Ферми в металле 2 ниже, чем в металле 1. В результате электроны проводимости с уровня Ферми металла 1 начинают переходить на уровень Ферми металла 2.

В результате такого перехода электронов металл 2 заряжается отрицательно, энергия электронов и, соответственно, уровень Ферми в нем повышаются. Металл 1 заряжается положительно, энергия электронов и уровень Ферми в нем понижаются. Между металлами возникает контактная разность потенциалов j₁₂.

Суммарное перетекание зарядов прекратится, когда уровни Ферми сравняются, а разность потенциалов между проводниками будет равна разности потенциалов выхода, j₁₂ = j₂ - j₁, и встречные потоки электронов сравняются n₂₁=-n₁₂ (рис.103 справа). Контактная разность потенциалов между проводниками создает для электронов, переходящих в проводник с большей работой выхода, потенциальный барьер высотой еj₁₂.

Оценим количество электронов, перетекающих из одного металла в другой при возникновении контактной разности потенциалов j₁₂. Будем считать, что между контактирующими металлами остается зазор шириной d, а заряды концентрируются на контактирующих поверхностях. Тогда заряд Q на каждой из поверхностей, необходимый для создания напряжения j₁₂, найдется из формулы плоского конденсатора, . (14.3)

Как видно из таблицы 14.1, контактная разность потенциалов В. Расстояние d между металлами не может быть меньше параметра решетки а » 0,3 нм. Полагая j₁₂ =1 В и d = 0,3 нм, получаем максимальную плотность заряда на контактирующих поверхностях.

Разделив на заряд электрона получаем, что на 1 м 2 поверхности приходится 2·10 17 электронов. Если диаметр атомов взять равным постоянной решетки а = 0,3 нм, то на 1 м 2 поверхности в одноатомном слое металла размещается атомов. Если атомы металла содержат по одному валентному электрону, то для создания контактной разности потенциалов 1 В потребовалось всего лишь (2×10 17 ç10 19 )´100% = 2% электронов проводимости одноатомного поверхностного слоя.

4. Закон Вольта.

Контактную разность потенциалов открыл в девяностых годах XVIII века итальянец Александр Вольта. В серии экспериментов 1792–1794 годов он установил, что в цепочке из ряда последовательно соединенных металлов контактная разность потенциалов зависит лишь от крайних металлов. Этот опытный факт называется законом Вольта. Действительно, пусть имеется цепочка из металлов 1,2,3,4 (рис.104). Работа выхода металлов еj₁, еj₂, еj₃, еj₄. На границе каждой пары возникает контактная разность:

Просуммировав левые и правые части, получаем: . (14.5)

Сумма всех контактных ЭДС (левой части равенства) равна контактной ЭДС крайних металлов в цепочке (правая часть равенства). Если концы цепи замкнуть, то независимо от количества звенев сумма контактных разностей потенциалов равна нулю. Тока в цепи нет.

5. Термо-ЭДС.

Сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи равна нулю лишь при условии, что температуры всех контактов одинаковы. В 1821 г. Томас Зеебек, сжимая концы висмутовой и медной пластинок теплыми пальцами обнаружил, что если цепь замкнута, то в ней протекает ток. Это явление возникновения ЭДС в цепи из разных металлов при перепаде температур между спаями называют эффектом Зеебека или термоэлектричеством. В рамках классической электронной теории можно дать простое толкование явлению Зеебека и получить зависимость термо-ЭДС от перепада температур.

Пусть имеется замкнутая цепь из двух металлов 1 и 2 со спаями A и B (рис.105). Полагаем, что электроны проводимости на верхних уровнях зоны проводимости распределяются в силовом поле решетки по закону Больцмана.

Здесь n₀₁ и n₀₂ – концентрация электронов проводимости на уровнях Ферми. В силу полной заполняемости этих уровней будем полагать n₀₁ = n₀₂; U₁ и U₂ – потенциальная энергия электронов в металлах 1 и 2. Она может изменяться от нуля на уровне Ферми до еj (работа выхода) на нулевом уровне. Разделим первое уравнение на второе.

Разделив разность U₁ –U₂ на заряд электрона е, получаем концентрационную разность потенциалов между металлами 1 и 2. . (14.9)

Если температуры спаев Т_А и Т_B одинаковы, то концентрационная ЭДС в замкнутой цепи, так же, как контактная разность потенциалов, равна нулю. Тока в цепи нет. Если же температуры спаев разные, Т_А ¹ Т_B, то в цепи возникает термо-ЭДС (рис.106). Концентрационные перепады потенциалов в контактах А и B разные.

Учитывая грубость классических приближений, обычно выделяют лишь температурную зависимость, которая хорошо подтверждается опытом при малых перепадах температур, . (14.12)

Термо-ЭДС, возникающая в цепи из разных металлов, широко применяется для измерения температур в диапазоне от 0 К до » 1000°С. Соответствующее устройство из двух разных металлов называется термопарой. Один спай термопары поддерживается при постоянной температуре, например при 0 о С в сосуде с тающим льдом, другой помещают в ту среду, температуру которой хотят измерить. О величине температуры можно судить как по величине термотока, измеряемого гальванометром, так и более точно по величине термо-ЭДС, измеряемой методом компенсации. С помощью термопар можно измерять температуру с точностью до сотых долей градуса.

6. Эффект Пельтье,1834 г.

Он обратен эффекту Зеебека и состоит в том, что при пропускании тока по цепи из разных металлов один контакт у металла нагревается, другой охлаждается.

Пусть в цепи из двух разных металлов действует источник тока – батарея Б. В результате в цепи идет постоянный ток I (рис.107). Проходя спай B, электроны, идущие по цепи на рисунке против часовой стрелки, дополнительно ускоряются полем контактного потенциала. Их скорость дрейфа увеличивается, поэтому при столкновении с узлами электроны передают им большую, по сравнению со средней, энергию. Спай В нагревается больше, чем рядом расположенные участки проводников.

В спае А электроны тормозятся контактным полем, их скорость дрейфа уменьшается, поэтому спай А нагревается меньше, чем рядом расположенные участки проводов. Кроме того, для установления равновесия этих электронов с электронным газом им необходимо приобрести еще энергию. Эту энергию они черпают из решетки. В результате спай А охлаждается больше, чем нагревается. В итоге теплота в спае А поглощается.

Выделяющаяся или поглощающаяся теплота Пельтье Q_П в контакте пропорциональна заряду It, прошедшему через контакт. . (14.13)

Здесь П – коэффициент Пельтье связан с дифференциальной термо-ЭДС соотношением: П = аDT.(14.14)

Где DТ – разность температур между контактами.

Эффект Пельтье позволяет создавать малогабаритные холодильные устройства. Их особенность в том, что изменяя направление тока в цепи, можно один и тот же контакт заставить как поглощать тепло (холодильник), так и выделять его (нагреватель).

7. Эффект Томсона.

В 1853 – 54 г.г. Рудольф Клаузиус и Уильям Томсон независимо друг от друга применили к явлениям термоэлектричества принципы термодинамики. В процессе построения термодинамической теории термоэлектричества Томсон установил, что неравномерно нагретый проводник должен вести себя как система находящихся в контакте физически разнородных участков. На этом основании Томсон пришёл к заключению и подтвердил его экспериментально, что в однородном неравномерно нагретом проводнике должно выделяться или поглощаться тепло Пельтье (тепло Томсона). Само явление назвали эффектом Томсона.

Принципиальная схема экспериментальной установки изображена на рис.108

Концы двух одинаковых проводящих стержней помещены в два термостата с разными температурами Т₁ и Т₂. Допустим, Т₁ > Т₂. Тогда градиент температуры в верхнем стержне направлен по току I, а в нижнем – против тока. В результате в одном стержне выделяется тепло Томсона (его температура выше), а в другом – поглощается.

Знак эффекта у разных проводников разный. В висмуте и цинке, например, тепло выделяется, если поток тепла и электрический ток совпадают по направлению (на рисунке нижний проводник). А в Fe, Pt, Sb при тех же условиях тепло поглощается. С изменением направления тока знак эффекта во всех проводниках меняется.

Тепло Томсона Q, выделяющееся в проводнике, пропорционально перепаду температур ΔТ, току I, протекающему по проводнику, и времени t Q = σΔTIt.

Здесь σ – коэффициент Томсона. Он зависит от материала провода и от его температуры. Коэффициент σ невелик. У металлов он порядка 10 –5 ВçК. За положительное направление тока принимают направление градиента температур, то есть направление от холодного конца проводника к горячему. Если тепло при этих условиях выделяется (проводник нагревается), эффект Томсона считается положительным.

Количественно эффект Томсона исследовал в 1867 г. Франсуа Леру. В установке, собранной по схеме рис. 108, к поверхности стержней он присоединял спаи термопар. Пока тока через стержни не было, термоЭДС в цепи термопар была равна нулю. При включении тока через стержни появлялась термоЭДС, величина и знак которой позволяли определить коэффициент Томсона σ.

8. Закон Джоуля – Ленца в замкнутой цепи всегда выполняется. Суммарный эффект Пельтье и Томсона в замкнутой цепи равен нулю, поскольку наряду с участками цепи, где тепло Пельтье и Томсона выделяется, всегда есть участки, где такое же тепло поглощается.

Энергия Ферми

Распределение электронов по различным квантовым состояниям подчиняется принципу Паули, согласно которому в одном состоянии не может быть двух одинаковых (с одинаковым набором четырех квантовых чисел) электронов, они должны отличаться какой-то характеристикой, например направлением спина. Следовательно, по квантовой теории, электроны в металле не могут располагаться на самом низшем энергетическом уровне даже при 0 К. Принцип Паули вынуждает электроны взбираться вверх «по энергетической лестнице».

Электроны проводимости в металле можно рассматривать как идеальный газ, подчиняющийся распределению Ферми-Дирака. Если μ₀ – химический потенциал электронного газа при T = 0 К, то, среднее число Е равно

Для фермионов (электроны являются фермионами) среднее число частиц в квантовом состоянии и вероятность заселенности квантового состояния совпадают, так как квантовое состояние либо может быть не заселено, либо в нем будет находиться одна частица. Это означает, что для фермионов f(Е), где f(Е) – функция распределения электронов по состояниям. Из (1) следует, что при Т = 0 К функция распределений E < μ₀, и E > μ₀,. График этой функции приведен на рис. 15, а. В области энергий от 0 до μ₀ функция E = μ₀ она скачкообразно изменяется до нуля. Это означает, что при Т = 0 К все нижние квантовые состояния, вплоть до состояния с энергией E = μ₀, заполнены электронами, а все состояния с энергией, большей μ₀, свободны. Следовательно, μ₀ есть не что иное, как максимальная кинетическая энергия, которую могут иметь электроны проводимости в металле при 0 К. Эта максимальная кинетическая энергия называется энергией Фермии обозначается Е_F.( Е_F = μ₀). Поэтому распределение Ферми — Дирака обычно записывается в виде

Наивысший энергетический уровень, занятый электронами, называется уровнем Ферми.Уровню Ферми соответствует энергия Ферми Е_F_:, которую имеют электроны на этом уровне. Уровень Ферми, очевидно, будет тем выше, чем больше плотность электронного газа. Работу выхода электрона из металла нужно отсчитывать не от дна «потенциальной ямы», как это делалось в классической теории, а от уровня Ферми, т. с. от верхнего из занятых электронами энергетических уровней.

Для металлов при не слишком высоких температурах выполняется неравенство kT E_F. Это означает, что электронный газ в металлах практически всегда находится в состоянии сильного вырождения. Температура T₀ вырождения находится из условия kT₀ = E_F . Она определяет границу, выше которой квантовые эффекты перестают быть существенными. Соответствующие расчеты показывают, что для электронов в металле Т₀ ≈ 10 4 К, т.е. для всех температур, при которых металл может существовать в твердом состоянии, электронный газ в металле вырожден.

При температурах, отличных от 0 К, функция распределения Ферми-Дирака (2) плавно изменяется от 1 до 0 в узкой области (порядка kT ) в окрестности Е_F (рис. 15, б). (Здесь же для сравнения пунктиром приведена функция распределения при Т = 0 К.) Это объясняется тем, что при T > 0 небольшое число электронов с энергией, близкой к Е_F, возбуждается за счет теплового движения и их энергия становится больше Е_F. Вблизи границы Ферми при Е < Е_F заполнение электронами меньше единицы, а при Е >Е_F. — больше нуля. В тепловом движении участвует лишь небольшое число электронов, например при комнатной температуре Т ≈ 300 К и температуре вырождения T₀ = 3 10 4 К, — это 10 -5 от общего числа электронов.

Если (Е — Е_F) >> kТ («хвост» функции распределения), то единицей в знаменателе (2) можно пренебречь по сравнению с экспонентой и тогда распределение Ферми — Дирака переходит в распределение Максвелла — Больцмана.

РАЗДЕЛ 7. Электроны в металлах. Свободный электронный газ Ферми

Основываясь на модели свободных электронов, можно объяснить целый ряд важных физических свойств металлов.Внимания заслуживают следующие свойства металлов:

1. В изотермических условиях в металле хорошо выполняется закон Ома, связывающий плотность тока J с напряженностью электрического поля Е через скалярную электропроводность s: .

2. Металл очень хороший проводник электричества (электропроводность металла составляет ~ (10 6 ¸10 8 ) Ом -1 ×м -1 .

3. Металл обладает высокой электронной теплопроводностью c_е. Видеман и Франц заметили, что хороший проводник тепла одновременно является и хорошим проводником электричества. Совпадение отношения (c_е/s) для разных металлов при данной температуре носит название закона Видемана-Франца. Лоренц заметил, что отношение (c_е/sТ) не зависит от температуры и имеет одинаковую величину для многих металлов, поэтому величину L º (c_е/sТ) называют числом Лоренца.

4. Если металл охлажден ниже некоторой характеристической температуры, связанной с температурой Дебая q_Д для теплоемкости, то наблюдается рост c_е и еще большее возрастание s.

5. При достаточно низкой температуре электропроводность s достигает насыщения, и ее значение при этом определяется примесями и дефектами решетки.

6. Магнитные эффекты в ферромагнитных металлах и сплавах также дают вклад в электрическое удельное сопротивление.

7. Примерно половина металлических элементов при достаточно низких температурах становятся сверхпроводниками.

8. Газ свободных электронов обладает очень малой удельной теплоемкостью, которая пропорциональна абсолютной температуре, а также очень малой магнитной восприимчивостью, которая не зависит от температуры.

9. При наличии комбинации электрического, магнитного и температурного градиентов возникают многочисленные термо-гальвано-магнитные эффекты.

10. В очень чистых монокристаллах в сильно магнитных полях проявляются эффекты, зависящие от ориентации; их величина обнаруживает осциллирующую зависимость от напряженности магнитного поля.

Модель свободных электронов предполагает, что внешние электроны в металле могут довольно свободно перемещаться в объеме кристаллической решетки. Эти валентные электроны называют электронами проводимости, так как они становятся носителями электрического тока в металле. В основу модели свободных электронов положены упрощения, основными из которых являются:

1. Не учитывается влияние положительно заряженных ионов на движение электронов в промежутках между столкновениями;

2. Отсутствие взаимодействия электронов между собой. Это свойство электронов является следствием принципа Паули. Согласно принципу Паули электрон, находящийся в заполненной оболочке данного атома, должен быть связан исключительно с этим атомом.

Газ свободных, невзаимодействующих электронов, подчиняющихся принципу Паули, называют свободным электронным газом Ферми. Полную энергию электронов можно считать равной их кинетической энергии, а потенциальной можно пренебречь. Энергия Ферми e_F определяется как энергия электронов на высшем еще заполненном уровне. В одномерном случае

где n_F - квантовое число наивысшего занятого энергетического уровня; N = 2n_F - число электронов; m - масса электрона; L - длина отрезка прямой линии, ограничивающей движение электрона (на краях этого отрезка имеются бесконечной высоты потенциальные барьеры). При повышении температуры кинетическая энергия электронного газа увеличивается. При этом некоторые энергетические уровни, которые при абсолютном нуле были вакантными, оказываются занятыми, и одновременно часть уровней, которые при абсолютном нуле были заняты, становятся вакантными. Вероятность того, что в состоянии теплового равновесия идеального электронного газа при температуре Т состояние с энергией e занято электронами есть функция распределения Ферми-Дирака

где m - химический потенциал. m - это максимальная энергия, которую могут иметь электроны проводимости в металле при абсолютном нуле температуры: m=e_F (f(E) = 1/2). Наивысший уровень, занятый электронами, называется уровнем Ферми.Ему соответствует энергия Ферми E_F_, которую имеет электрон на этом уровне.

Закон распределения электронов проводимости по энергиям при Т = 0К имеет вид

Общее число электронов проводимости в единице объема металла

Отсюда: Средняя энергия электрона при Т = 0К

Cкорость электронов на поверхности Ферми равна

k_F - радиус сферической области, заполненной электронными состояниями в k-пространстве. Число состояний на единичный энергетический интервал g(E) называется плотностью состояний Число состояний на единичный энергетический интервал вблизи энергии Ферми равно отношению числа электронов проводимости к энергии Ферми g(E_F) = 3N/2E_F.

Теплопроводность металлов.

Металлы в отличие от других твердых тел, как правило, являются хорошими проводниками теплоты и электричества. Согласно закону Видемана-Франца, установленному экспериментально, отношение теплопроводности c_е к удельной электропроводности s для большинства металлов пропорционально температуре Т, при этом коэффициент пропорциональности L (число Лоренца) одинаков для всех металлов:

c_е /s = LТ. (7.7)

Друде для объяснения такой закономерности положил, что основная часть теплового потока при наличии градиента температуры переносится электронами проводимости. Согласно модели Друде, металл представляется в виде ящика, заполненного свободными электронами, для которых справедливы законы кинетической теории газов. Для достижения электронейтральности металла считалось, что ящик заполнен соответствующим количеством положительно заряженных частиц, которые неподвижны. Электроны распределены по скорости в соответствии с функцией распределения Максвелла-Больцмана:

где n - концентрация электронов. В соответствии с этим распределением электроны при температуре Т обладают всеми возможными значениями скоростей от 0 до + ¥, причем при отсутствии внешних сил все направления скоростей равновероятны и постоянно изменяются вследствие столкновений с положительно заряженными частицами. В промежутках между столкновениями взаимодействие электрона с другими электронами и ионами не учитывалось.

При вычислении удельной электропроводности предполагалось, что за единичное время электрон испытывает столкновения (изменяет направление скорости) с вероятностью, равной 1/t, где t- время релаксации, или время свободного пробега электрона. За время t электрон проходит расстояние между столкновениями, равное его средней длине свободного пробега эл> = ut. Если к двум противоположным концам металла приложить разность потенциалов, создающую в каждой точке металла электрическое поле напряженности Е, то между двумя столкновениями электрон под действием силы: (e - заряд электрона) будет двигаться равномерно ускоренно. К концу промежутка времени t слагающая скорости в направлении вектора изменится на . Так как после столкновения скорость электрона может иметь любые направления, то средняя скорость электронов в направлении поля равна среднему значению величины , т.е.

Это среднее значение скорости в ускоренном движении называется дрейфовой скоростью(отношение - называют подвижностью электронов). Существование у всех электронов этой слагающей скорости с постоянным направлением выражается в том, что в направлении, обратном вектору, в металле происходит перемещение отрицательного заряда. При этом плотность тока можно вычислить, пользуясь выражением:

С другой стороны, согласно закону Ома, плотность тока:

Отсюда следует, что удельная электропроводность При расчете теплопроводности предполагается, что при наличии градиента температуры электроны от столкновения до столкновения проходят одинаковые расстояния, равные средней длине свободного пробега , прежде чем передают свою избыточную тепловую энергию атомам. Применяя к электронному газу представления кинетической теории газов, получим для теплопроводности выражение

где С_v эл - теплоемкость электронного газа; - средняя скорость электронов. Если записать отношение электронной теплопроводности к его удельной электропроводности , положив С_v эл = 3Nk_Б/2 и mu 2 /2 = 3k_БT/2, получим закон Видемана-Франца

Постоянная L = 2,45×10 -8 Вт×Ом/К 2 не зависит от сорта металла и носит название числа Лорентца. Число Лорентца, полученное по теории Друде, сильно отличается от экспериментельного значения. Это связано с тем, что теория Друде требует большого числа электронов для объяснения электропроводности и малого – для объяснения теплоемкости.

Зоммерфельд, сохранив основные исходные положения теории, применил квантовую статистику Ферми-Дирака, так как для электронов, подчиняющихся принципу запрета Паули, распределение Максвелла-Больцмана должно быть заменено распределением Ферми-Дирака

где L = 2,45×10 -8 Вт×Ом/К 2 , что находится в согласии с экспериментальными данными.

В общем случае теплопроводность металлов складывается из теплопроводности, обусловленной фононами, и теплопроводности, обусловленной свободными электронами:

В металлах теплопроводность, обусловленная фононами, в 100 раз ниже теплопроводности, обусловленной электронами.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Найти численное значение уровня Ферми меди при абсолютном нуле, учитывая, что на каждый атом меди в кристалле имеется один электрон проводимости (свободный электрон) и что эффективная масса электронов m* приблизительно равна массе свободных электронов (плотность меди r = 8900 кг/м 3 ; молярная масса m = 63,5 г/моль).

Найдем связь количества электронов проводимости с уровнем Ферми. Число электронов проводимости в металле может быть найдено с учетом формулы

где функция распределения Ферми-Дирака.

При Т = 0 f(E) = 1, если EF и f(E) = 0, если E>E_F.

Плотность разрешенных квантовых состояний электронов внутри энергетической зоны

где V - объем кристалла; m - масса электрона; E - энергия электрона и h - постоянная Планка.

Число электронов проводимости равно

Отсюда находим концентрацию электронов проводимости в металле

и энергию Ферми

По условию задачи концентрация свободных электронов в меди равна концентрации атомов меди где V_m - объем моля меди, N_A - число Авогадро.

Подставляя в формулу значения N_A, r и m, получаем концентрацию электронов проводимости

и энергию уровня Ферми

Пример 2. Вычислить среднее значение кинетической энергии электронов в меди при абсолютном нуле, если уровень Ферми для меди равен 7 эВ.

Найдем суммарную кинетическую энергию всех электронов в металле, воспользовавшись формулой для распределения Ферми по энергиям для свободных электронов. Число электронов, приходящихся на единичный интервал энергии:

Суммарное число электронов на всех уровнях в единице объема:

Полная энергия электронного газа:

Среднее значение кинетической энергии электронов:

Подставим численное значение

ОТВЕТ: 6,7×10 -19 Дж.

Пример 3: Какова вероятность того, что электрон в металле будет иметь энергию равную энергии Ферми?

При Е = m функция Ферми-Дирака

Вероятность нахождения электрона на уровне Ферми равна 0,5.

ЗАДАЧИ, РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО

РЕШЕНИЯ

7.1. Концентрация свободных электронов натрия 2,5×10 28 м -3 . Определить температуру Ферми и скорость электронов на уровне Ферми.

ОТВЕТ: Т_F = 3,6×10 4 К; u_F = 10 6 м/с.

7.2. Определить число электронных состояний в единице объема металла с энергией 0,3 - 0,4 эВ.

ОТВЕТ: 2,88×10 25 м -3 .

7.3. Каковы соответственно вероятности того, что при комнатной температуре электрон займет состояния, лежащие на 0,1 эВ выше и на 0,1 эВ ниже уровня Ферми?

ОТВЕТ: 1,79×10 -2 ; 0,98.

7.4. При абсолютном нуле уровень Ферми для меди 7 эВ. Определить значение уровня Ферми при 20 К.

7.5. Какова вероятность заполнения электронами в металле энергетического уровня, расположенного на 0,01 эВ ниже уровня Ферми, при температуре 18 0 С.

7.6. Определить вероятность того, что электрон в металле займет энергетическое состояние, находящееся на DЕ = 0,05 эВ ниже уровня Ферми и выше уровня Ферми в случае: 1. Т₁ = 290К; 2.Т₂ = 58К.

ОТВЕТ: 0,119; 0,881; 4,5×10 -5 ; 0,999.

7.7. Как и во сколько раз изменится вероятность заполнения электронами энергетического уровня в металле, если уровень расположен на 0,01 эВ ниже уровня Ферми и температура изменяется от 200 до 300К?

ОТВЕТ: Уменьшится в 1,1 раза.

7.8. Определить число свободных электронов, которое приходится на один атом натрия при абсолютном нуле. Уровень Ферми для натрия 3,12 эВ. Плотность натрия 970 кг/м 3 , молярная масса натрия равна 22,99 г/моль.

ОТВЕТ: 0,98 1/атом.

7.9. Во сколько раз число свободных электронов, приходящихся на один атом металла при 0К, больше в алюминии, чем в меди, если уровни Ферми соответственно равны 11,7 эВ и 7 эВ? Плотность меди 8900 кг/м 3 , плотность алюминия – 2690 кг/м 3 .

7.10. Вычислить энергию Ферми при Т = 0К для алюминия. Считать, что на каждый атом алюминия приходится 3 свободных электрона. Плотность алюминия – 2690 кг/м 3 , молярная масса – 26,98 г/моль.

7.11. Определить концентрацию свободных электронов в металле при абсолютном нуле. Энергию Ферми принять равной 1 эВ.

ОТВЕТ: 4,58×10 27 м -3 .

7.12. Определить отношение концентраций свободных электронов при Т=0К в литии и цезии, если известно, что уровень Ферми в этих металлах соответственно равен: 4,72 эВ и 1,53 эВ.

7.13. Вычислить суммарную кинетическую энергию электронов проводимости в 1 см 3 цезия при 0К.

7.14. Вычислить среднее значение кинетической энергии электронов в металле при абсолютном нуле, если уровень Ферми равен 11,7 эВ.

7.15. Определить максимальную и среднюю квадратичную скорости свободных электронов кальция при Т=0К. Считать, что на каждый атом кальция приходится два свободных электрона.

ОТВЕТ: u_max = 1,28×10 6 м/сек; u_кв = 0,99×10 6 м/сек.

7.16. Металл находится при абсолютном нуле температуры. Определить во сколько раз число электронов с кинетической энергией от E_F/2 до E_F больше числа электронов с энергией от нуля до E_F/2.

ОТВЕТ: в 1,83 раза.

7.17. Вычислить теплоемкость электронов проводимости единицы объема меди при температуре 100К, считая, что концентрация электронов равна числу атомов в единице объема. Значение уровня Ферми для меди принять равным 7 эВ. Плотность меди – 8900 кг/м 3 , молярная масса- 63,57 г/моль.

ОТВЕТ: 7×10 3 Дж/(град×м 3 ).

7.18. Исходя из классической теории электропроводности металлов, определить среднюю кинетическую энергию электронов в металле, если отношение коэффициента теплопроводности к удельной проводимости c/s = 6,7×10 -6 в 2 /К.

ОТВЕТ: 3,77×10 -21 Дж.

7.19. Концентрация свободных электронов алюминия 18,06×10 22 см -3 . Определить температуру Ферми и скорость электронов на уровне Ферми.

ОТВЕТ: 13,5×10 4 К; 2,02×10 6 м/сек.

7.20. Электропроводность металла s = 10 Мом -1 ×м -1 . Вычислить среднюю длину свободного пробега электронов в металле, если концентрация свободных электронов равна 10 28 м -3 , а средняя скорость хаотического движения электронов равна 10 4 м/с.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

Энергия электронов в металле энергия ферми работа выхода

Высокая проводимость металлов обусловлена наличием в них электронов проводимости, образующих электронный газ. Для оценки можно считать, что каждый из атомов металлов, образующих кристаллическую решетку, «отдает» в электронный газ несколько электронов (обычно от одного до трех в зависимости от типа металла). Эти электроны уже не принадлежат ионам решетки, а являются «общими» для всего объема металла. При включении металлического проводника в электрическую цепь электроны проводимости перемещаются, обеспечивая соответствующий ток проводимости. Поскольку плотность металлов составляет примерно $10^$ $\frac>^>$, то концентрация (плотность) электронного газа очень высока. Это и объясняет высокую электропроводность металлов.

Хотя электроны проводимости ведут себя в металле во многих отношениях подобно газу (могут свободно перемещаться по всему объему металла, их плотность испытывает тепловые флуктуации; что обуславливает так называемый тепловой шум, и т.п.), но, чтобы выйти за пределы объема металла, они должны совершить определенную работу, называемую работой выхода. Если эта работа совершается за счет нагрева металла, то процесс выхода электронов из металлов называется термоэлектронной эмиссией.

Силы, по преодолению которых эмитированные электроны должны совершить работу выхода, в простейшей модели (классическая модель Шоттки) описываются двумя компонентами: двойным электрическим слоем на границе металла с вакуумом и силами «изображения» (рис. 2).

В отсутствие внешних полей электронный газ «распространяется» за поверхность металла на расстояния $x_$ порядка межатомных, и в этом поверхностном слое (его называют двойной слой) на электрон действует некоторая сила $F_$. Можно считать, что двойной слой образует «плоский конденсатор», внешняя обкладка которого заряжена отрицательно. Поэтому силу $F_$ можно принять постоянной $F_=eE$ (рис. 2,в), где величина $E$ (напряженность поля двойного слоя) зависит от плотности электронного газа и различна для разных металлов. Когда электрон уходит на расстояния больше $x_$, металл в целом оказывается положительно заряженным, и действующую на электрон силу можно определить как силу Кулона между электроном ($-e$) и его «зеркальным изображением» ($+e$) (см. рис. 2, б): $$ F_=-\frac>>, $$ В точке $x_$ эти силы должны «сшиваться» по величине, что помогает определить величину силы $F_$: $$ F_=\left.F_\right|_=-\frac><4x_^>. $$ Общая работа сил, затрачиваемая на выход электрона из металла, определится интегрированием по всему пространству вдоль направления $x$ от $0$ до $\infty$: $$ W_

=\int_^<\infty>F(x)dx=\frac><4x_>+\int_^<\infty>\frac>>dx=\frac>, $$ где $e$ — заряд электрона.

Величина работы выхода $W_

$ рассчитана исходя из классических соображений. Она называется полной работой выхода. Реальные работы выхода $W_$, измеряемые в экспериментах по термоэмиссии, оказались заметно меньше по величине. Это различие было объяснено на базе квантовой физики.

Суть объяснения заключается в следующем. Плотность электронного газа в металле весьма высока. Поэтому электроны проводимости нельзя считать «свободными» в классическом смысле слова. Они представляют единую квантовую систему. Согласно квантовым законам даже при абсолютном нуле температуры все электроны системы не могут иметь одинаковую — нулевую — энергию, поскольку в соответствии с квантовым запретом Паули в одном квантовом состоянии (с данной энергией) может находиться не более двух электронов, отличающихся проекцией спина. Распределение электронов квантовой системы по энергиям в этом случае описывается статистикой Ферми– Дирака.

На рис. 3 изображен вид этого распределения для двух значений температуры: $T=0^\:$ и $T>0^\:$. Максимальная энергия $W_$ при $0^\:$ называется уровнем Ферми (энергией Ферми, химическим потенциалом идеального электронного газа).

Поскольку при термоэмиссии металл покидают наиболее энергичные электроны, имеющие энергию, близкую к энергии Ферми, то можно считать, что для выхода им достаточно затратить лишь часть необходимой энергии, равной разнице между $W_

$ и $W_$: $$ W_=W_

-W_=e\varphi \mbox < или >\varphi=\frac . $$ Здесь $e>0$ — элементарный заряд, а $W$ и $e\varphi$ — работа выхода. Её также часто выражают в электронвольтах (эВ) (внесистемная единица широко принята в практике, 1 эВ — это работа (энергия), которую приобретает электрон, пройдя без соударения разность потенциалов в 1 В. Чтобы пересчитать работу выхода из эВ в единицы СИ или СГС, нужно умножить это значение на заряд электрона в соответствующей системе единиц).

Величина энергии Ферми в металле $W_$ зависит только от концентрации электронов проводимости (от плотности электронного газа) и равна $$ W_=\frac>\left(\frac<8\pi>\right)^>, $$ где $n$ — концентрация,$m$ — масса электрона; $h$ — постоянная Планка.

Для различных металлов плотность электронного газа различна, поэтому различен и уровень Ферми. Пунктиром на рис. 3,а показан уровень Ферми $W_$, соответствующий металлу с большей плотностью электронного газа, чем у металла, характеризуемого сплошной линией. По порядку величины уровень (энергия) Ферми для всех металлов примерно одинаков и составляет несколько эВ:
Таблица 1. (Концентрация электронов проводимости $n$, уровни Ферми $W_$ и работа выхода различных металлов.)

Читайте также: