Почему необходимо затратить энергию для вырывания электрона из металла

Обновлено: 08.05.2024

В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы, а между ними свободно движутся электроны. Они как бы плавают по всему объему проводника, так как силы притяжения к положительным ионам решетки, действующие на свободные электроны, находящиеся внутри металла, в среднем взаимно уравновешиваются. Действие сил притяжения со стороны положительных ионов на электроны мешает последним выйти за пределы поверхности металла. Лишь наиболее быстрые электроны могут преодолеть это притяжение и вылететь из металла. Однако совсем покинуть металл электрон не может, так как притягивается положительным поверхностным ионом и тем зарядом, который возник в металле в связи с потерей электрона. Равнодействующая этих сил притяжения не равна нулю, а направлена внутрь металла перпендикулярно его поверхности (рис. 1).

Через некоторое время электрон под действием этих сил может возвратиться в металл. Среди электронов, находящихся вблизи поверхности металла, найдется большое число таких, которые временно будут покидать металл, а затем возвращаться обратно. Этот процесс напоминает испарение жидкости. В конце концов устанавливается динамическое равновесие между покидающими и возвращающимися электронами. Таким образом, на границе металла с вакуумом возникает двойной слой электрических зарядов, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Электрическое поле этого слоя можно считать однородным (рис. 2). Разность потенциалов Δφ_кон в этом слое называется контактной разностью потенциалов между металлом и вакуумом.

Этот двойной электрический слой не создает поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу электронов из металла.

Как показывают расчеты и специально поставленные опыты, толщина этого слоя мала и равна примерно 10 -10 м.

Таким образом, чтобы покинуть металл и уйти в окружающую среду, электрон должен совершить работу A_в против сил притяжения со стороны положительного заряда металла и против сил отталкивания от отрицательно заряженного электронного облака. Она приблизительно равна A_в = eΔφ_кон, где e — заряд электрона. Для этого электрон должен обладать достаточной кинетической энергией.

Минимальную работу A_в, которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла и не вернуться в него, называют работой выхода.

Работа выхода зависит только от рода металла и его чистоты. Работу выхода принято измерять в электронвольтах (эВ).

Для чистых металлов A_в составляет несколько электронвольт. Так, например, для цезия ее значение равно 1,81 эВ, для платины 6,27 эВ.

Выход свободных электронов из металла называется эмиссией электронов. При нормальных внешних условиях электронная эмиссия выражена слабо, так как средняя кинетическая энергия хаотического теплового движения большинства свободных электронов в металлах гораздо меньше работы выхода. Для повышения интенсивности эмиссии следует увеличить кинетическую энергию свободных электронов до значений, равных или больших значения работы выхода. Этого можно достигнуть различными способами. Во-первых, созданием электрического поля очень большой напряженности (E ~ 10 6 В/см), способного вырвать электроны из металла, — холодная эмиссия. Такая эмиссия используется в электронных микропроекторах. Во-вторых, бомбардировкой металла электронами, предварительно разогнанными электрическим полем до очень большой скорости, — вторичная электронная эмиссия. В-третьих, интенсивным освещением поверхности металла — фотоэмиссия На явлении фотоэмиссии основан внешний фотоэффект и устройство вакуумного фотоэлемента. В-четвертых, нагревание металла — термоэлектронная эмиссия. Электроны, испускаемые нагретым телом, называются термоэлектронами, а само это тело — эмиттером.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 293-294.

Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия

Электроны проводимости в металлах образуют своеобразный электронный газ и участвуют в тепловом движении. Но поскольку они удерживаются в объеме металла, а не разлетаются из него, значит, вблизи поверхности металла существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Для того чтобы электрон вывести за пределы металла необходимо совершить определенную работу против удерживающих его сил.

Работой выхода А электрона из металла называется работа, которую нужно совершить при удалении электрона из металла в вакуум.

Электрон – заряженная частица и сила, препятствующая его выходу из металла, имеет электрическую природу. Существуют две наиболее вероятные причины возникновения этой силы, а следовательно, и работы выхода.

Электрон, обладая достаточной кинетической энергией, может покинуть поверхность металла. На поверхности металла в результате этого индуцируется положительный заряд, отчего между электроном и металлом возникает сила притяжения, препятствующая удалению электрона. Работа этой силы представляет часть работы выхода.

Электроны вследствие хаотического движения способны пересекать поверхность металла и удаляться от нее на малые расстояния. При этом число электронов, покидающих поверхность металла, равно числу электронов, возвращающихся в металл и на границе металл-вакуум поддерживается динамическое равновесие электронов.

Над поверхностью металла, таким образом, существует электронная “атмосфера “ т.е. у поверхности образуется как бы двойной электрический слой (напоминающий плоский заряженный конденсатор. Рис.97)

Электрическое поле такого двойного электрического слоя заключено в малом зазоре над поверхностью металла, и прохождение электрона через этот двойной электрический слой сопровождается совершением определенной работы, связанной с разностью потенциалов А = е φ. Величину φ называют потенциальным барьером. Полная работа выхода электрона обуславливается обеими этими причинами.

Если электрон внутри металла имеет кинетическую энергию

то он может покинуть объем металла. Работа выхода для металлов имеет порядок величины несколько эВ. Энергия же теплового движения электронов в металле при комнатной температуре (Т ≃ 300 0 К) имеет величину порядка ∼ 0,03 эВ. Поэтому подавляющее большинство электронов будет связано в пределах металла. Однако, если электронам сообщить дополнительную энергию, то часть из них получает возможность покинуть металл и мы наблюдаем явление испускания электронов, называемое электронной эмиссией. Различают различные типы электронной эмиссии. Если электроны получают энергию за счет тепловой энергии при повышении температуры, то такая эмиссия называется термоэлектронной.

При подведении энергии светом наблюдается фотоэмиссия, при бомбардировке поверхности какими-либо частицами наблюдается вторичная электронная эмиссия. Эмиссия под действием сильного электрического поля называется автоэлектронной.Термоэлектронную эмиссию можно наблюдать на электронной лампе – электровакуумном диоде (рис. 98), состоящим из анода А и накаливаемого катода К, включенных в электрическую цепь. Ток диода (анодный ток) имеет зависимость “степени 3/2”

I = c· U 3/2 , где U – анодное напряжение; с – const.

Плотность тока насыщения, когда все вылетающие с катода электроны (при данной температуре катода) достигают анода, определяют по формуле Ричардсона-Дэшмана

где А – постоянная Ричардсона-Дэшмана =6,02·10 5 А/м 2 ·К 2 , Т – абсолютная температура катода, – работа выхода материала катода, k – постоянная Больцмана.

Электрический ток в газах

Газы, состоящие из нейтральных молекул и атомов, не проводят электрический ток. Для возникновения электропроводности газов они должны быть ионизированы.

Ионизацией молекулы или атома называется процесс отщепления или отрыва от них одного или нескольких электронов в результате чего возникают положительный ион и электроны. Если нейтральный атом и молекула присоединяют электрон, то возникает отрицательный ион. Процесс, обратный ионизации, т.е. такой, при котором электроны, присоединяясь к положительному иону, образуют нейтральную молекулу или атом, называется рекомбинацией.

Для ионизации молекулы (атома) небходимо совершить работу ионизации А_i против сил притяжения между вырываемым электроном и атомным остатком. Эта работа зависит от вида атома, кратности ионизации, энергетического состояния. Потенциалом ионизации φ_i называется разность потенциалов в ускоряющем поле, которую должна пройти заряженная частица, чтобы накопить энергию, равную работе ионизации

Ионизация газов вызывается бомбардировкой его атомов и молекул заряженными частицами (электронами, ионами, α-частицами), нейтронами, электромагнитным излучением.

Газовым разрядом называется процесс прохождения электрического тока через газ. Различают самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды. Предположим, что на газовый промежуток действует какой-либо ионизатор (например, ультрафиолетовые или рентгеновские лучи, падающие на катод и выбивающие из него фотоэлектроны), в результате чего газ становится электропроводящим и в цепи потечет ток (рис. 99а). Увеличение анодного напряжения приведет к изменению тока в цепи. Вольтамперную характеристику можно разделить на 4 участка (рис. 99б). На первом участке кривой при небольших напряжениях выполняется закон Ома. Плотность тока в газовом промежутке равна

где n₀ – число пар противоположно заряженных частиц в единице объема; u₊ и u_- - подвижность этих частиц;

е – заряд электрона;

Е – напряженность поля.

На 2-м участке кривой наблюдается отклонение от закона Ома, вызванное убыванием концентрации ионов в газе и ток достигает насыщения I_Н при некотором значении U_Н. Увеличение напряжения на участке 3 кривой не приводит к увеличению тока, т.е. все образующиеся в газе электроны и ионы достигают анода и катода.

Газовый разряд, который поддерживается вследствие действия внешнего ионизатора, получил название несамостоятельного.

Если в одном из режимов разряда на участках кривой 1-2-3 действие внешнего ионизатора прекратить, то разряд прекратится. Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к резкому возрастанию анодного тока. Это происходит вследствие того, что электроны под действием поля приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул и атомов газа. Процесс такой ионизации носит лавинный характер.

За время свободного пробега в сильном электрическом поле электрон(e) успевает приобрести энергию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой(M), вызвать ее ионизацию.

При этом образуется положительный ион и добавочный электрон.

Эти два электрона в свою очередь набрав нужную энергию ионизируют два атома, а образовавшиеся (2+2) электрона ионизируют следующие 4 атома и удвоят количество электронов и т.д. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока как показано на рис. 100.

Самостоятельным газовым разрядом называется электрический разряд в газе, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Для существования самостоятельного газового разряда необходимо, чтобы электронные лавины поддерживали сами себя, т.е. чтобы в газе происходил еще и другой процесс, непрерывно воспроизводящий новые электроны взамен ушедших на анод.

Такими могут быть процессы вторичной электронной эмиссии с катода в результате его бомбардировки ускоренными положительными ионами, фотоэффект, соударения положительных ионов с нейтральными молекулами и атомами.

Виды газовых разрядов:

Тлеющий – наблюдаемый при давлениях 0,1 – 0,01 мм. рт. ст., применяется в газовых трубках, лампах дневного света ( красное свечение у неона, синевато-зеленое – у аргона, желтоватые – у натрия).

Искровой разряд – возникает между электродами при сильных полях – на воздухе Е_крит ≃ 3·10 6 В/м или 30 кВ/см, в вакууме Е_крит выше.

Коронный разряд – когда вследствие высокой напряженности на острие электрода начинает развиваться лавинный процесс, но вследствие снижения напряженности поля по мере удаления от острия эта лавина не достигает анода.

Молния – вид искрового разряда. Токи 10 4 - 5 ·10 5 А. ΔU 10 8 - 10 9 В, длительность мкс., заряд 0,1 – 200 Кл. Сильное разогревание воздуха приводит к возникновению ударной звуковой волны – грому.

Дуговой разряд – при низком сопротивлении цепи искровой разряд переходит в дуговой, который протекает при высоких токах в десятки и сотни ампер.

Работа выхода электронов из металла

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не, покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода.Укажем две вероятные причины появления работы выхода:

1. Если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.

2. Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10 -10 — 10 -9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла.

Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя. Разность потенциалов Dj в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала,определяется работой выхода (А) электрона из металла:

где е — заряд электрона. Так как вне двойного слоя электрическое поле отсутствует, то потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен и равен Dj. Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла равна — еDj и является относительно вакуума отрицательной. Исходи из этого можно считать, что весь объем металла для электронов проводимости представляет потенциальную яму с плоским дном, глубина которой равна работе выхода А.

Работа выхода выражается в электрон-вольтах(эВ): 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (заряда, равного заряду электрона) при прохождении им разности потенциалов в 1 В. Так как заряд электрона равен 1,6•l0 -19 Кл, то 1 эВ = 1,6•10 -19 Дж.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт (например, у калия Л=2,2 эВ, у платины A = б,3 эВ). Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить paботу выхода. Например, если нанести на поверхность вольфрама (А =4,5 эВ) слой оксида щелочно-земельного металла (Са, Sr, Ba), то работа выхода снижается до 2 эВ.

Самостоятельный газовый разряд и его типы

Разрядв газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

Рассмотрим условия возникновения самостоятельного разряда. Как уже указывалось в § 106, при больших напряжениях между электродами газового промежутка (см. рис. 156) ток сильно возрастает (участки CD и DE на рис. 157). При больших напряжениях возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы (процесс 1 на рис. 158). Положительные ионы движутся к катоду, а электроны — к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это является причиной увеличения электрического тока на участке CD (см. рис. 157). Описанный процесс называется ударной ионизацией.

Однако ударная ионизация под действием электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т. е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Такие процессы схематически показаны на рис. 158: 1) ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (процесс 2); 2) положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в возбужденное состояние; переход таких молекул в нормальное состояние сопровождается испусканием фотона (процесс 3); 3) фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее, происходит так называемый процесс фотонной ионизации молекул (процесс 4); 4) выбивание электронов из катода под действием фотонов (процесс 5).

Наконец, при значительных напряжениях между электродами газового промежутка наступает момент, когда положительные ионы, обладающие меньшей длиной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа (процесс 6), и к отрицательной пластине устремляются ионные лавины. Когда возникают кроме электронных лавин еще и ионные, сила тока растет уже практически без увеличения напряжения (участок DE на рис. 157).

В результате описанных процессов (1—6) число ионов и электронов в объеме газа лавинообразно возрастает и разряд становится самостоятельным, т. е. сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда: тлеющем, искровом, дуговом и коронном.

1. Тлеющий разрядвозникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30— 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении ж 5,3—6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении ж 13 Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 159.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 — первое катодное свечение,или катодная пленка,затем следует темный слой 2 — катодное темное пространство,переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 — тлеющее свечение,имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 4 — фарадеево темное пространство,за которым следует столб ионизированного светящегося газа 5 — положительный столб.Положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки его длина сокращается, в то время как катодные части разряда по форме и величине остаются неизменными. В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное темное пространство и тлеющее свечение. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т. д. Таким образом непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

При дальнейшем откачивании трубки при давлении ж 1,3 Па свечение газа ослабевает и начинают светиться стенки трубки. Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таких разрежениях редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывают его свечение, так называемую катодолюминесценцию.Поток этих электронов исторически получил название катодных лучей.Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия, проникают в пространство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший название каналовых(или положительных) лучей,названных по знаку заряда, который они несут.

Тлеющий разряд широко используется в технике. Так как свечение положительного столба имеет характерный для каждого газа цвет, то его используют в газосветных трубках для светящихся надписей и реклам (например, неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевато-зеленое). В лампах дневного света, более экономичных, чем лампы накаливания, излучение тлеющего разряда, происходящее в парах ртути, поглощается нанесенным на внутреннюю поверхность трубки флуоресцирующим веществом (люминофором), начинающим под воздействием поглощенного излучения светиться. Спектр свечения при соответствующем подборе люминофоров близок к спектру солнечного излучения. Тлеющий разряд используется для катодного напыленияметаллов. Вещество катода в тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно нагреваясь, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их можно покрыть равномерным слоем металла.

2. Искровой разрядвозникает при больших напряженностях электрического поля (Ё=3•10 6 В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного.

Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории,согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа — стримеров.Стримеры возникают не только в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, но и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температуры (примерно 10 4 К), что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде — характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии, являющейся примером мощного искрового разряда между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками.

Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники). При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла, поэтому он применяется для электроискровой точной обработки металлов (резание, сверление). Его используют в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).

3. Дуговой разряд.Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным — возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до

ряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу (именно так она была открыта В. В. Петровым). При атмосферном давлении температура катода приблизительно равна 3900 К. По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление — кратер, являющийся наиболее горячим местом дуги.

По современным представлениям, дуговой разряд поддерживается за счет высокой температуры катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа.

Дуговой разряд находит широкое применение в народном хозяйстве для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей (дуговая печь) и освещения (прожекторы, проекционная аппаратура). Широко применяются также дуговые лампы с ртутными электродами в кварцевых баллонах, где дуговой разряд возникает в ртутном паре при откачанном воздухе. Дуга, возникающая в ртутном паре, является мощным источником ультрафиолетового излучения и используется в медицине (например, кварцевые лампы). Дуговой разряд при низких давлениях в парах ртути используется в ртутных выпрямителях для выпрямления переменного тока.

4. Коронный разряд— высоковольтный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резконеоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда.

В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную корону. В случае отрицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул катода под действием положительных ионов, в случае положительной — вследствие ионизации газа вблизи анода. В естественных условиях корона возникает под влиянием атмосферного электричества у вершин мачт (на этом основано действие молниеотводов), деревьев. Вредное действие короны вокруг проводов высоковольтных линий передачи проявляется в возникновении вредных токов утечки. Для их снижения провода высоковольтных линий делаются толстыми. Коронный разряд, являясь прерывистым, становится также источником радиопомех.

Используется коронный разряд в электрофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей. Газ, подвергаемый очистке, движется снизу вверх в вертикальном цилиндре, по оси которого расположена коронирующая проволока. Ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней части короны, оседают на частицах примеси и увлекаются полем к внешнему некоронирующему электроду и на нем оседают. Коронный разряд применяется также при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.

Тема 4. Свойства электронов. Работа выхода электро-нов. Движение электронов в электрических и магнитных полях.

Целью изучения данной темы является ознакомление со свойствами электронов и их поведением в магнитных и электрических полях.

Свойства электронов.

Работа электронных приборов и интегральных микросхем основана на управлении концентрацией, скоростью, и направлением движения заряжен-ных частиц в различных средах с помощью электрических и магнитных полей. Изучение свойств этих частиц и их поведения в различных условиях с помощью электрических и магнитных полей является необходимой предпосылкой для понимания работы разнообразных электронных элементов.

В связи с этим возникает вопрос:

Почему именно электрон наилучшим образом удовлетворяет тре-бованиям, предъявляемым к частицам, выступающим в качестве носи-телей тока в электронных приборах?

Свойства электронов достаточно хорошо изучены. Электрон – это электрически заряженная частица, имеющая :

отрицательный заряд е=1.602× 10 -19 Кл ;

массу m_е= 9,109× 10 -31 кг;

радиус r_е= 2,82 × 10 -15 м ;

удельный заряд =1,759× 10 11 Кл/кг.

Ни одна другая частица не имеет такого большого значения отношения заряда к массе , как электрон. Это позволяет легко отличить его от других частиц.

Электроны обладают следующими основными свойствами:

в электрическом поле электроны испытывают воздействие силы и сами могут создавать электрическое поле;

Электроны отталкиваются друг от друга;

Движущиеся электроны образуют электрический ток. Следовательно, подобно электрическому току, проходящему последовательно, поток электронов создает магнитное поле и в поперечном магнитном поле сам испытывает воздействие силы;

Находясь в движении электрон обладает кинетической энергией, равной . При столкновении электрона с каким либо телом их кинетическая энергия превращается в тепловую; при соударении движущегося электрона с нейтральным атомом кинетическая энергия электрона может быть затрачена на ионизацию атома;

Благодаря большой величине электрон обладает высокой подвижностью.

Как уже отмечалось, в соответствии с квантовой теорией электроны, помимо свойств, присущих отдельным материальным частицам (корпускулам), обладают также и волновыми свойствами. Установлено, что электронам, как и световым лучам, свойственно явление дифракции, т.е. огибание препятствия, поставленного на их пути. Особенно заметны волновые свойства электронов в пространстве, линейные размеры которого сравнимы с размерами электрона.

Работа выхода электронов и влияние адсорбционных слоев на работу выхода.

Работа выхода электронов

Для работы электронных приборов необходимы свободные электроны. Только в этом случае они смогут выполнять функции носителей электричес-кого тока. Как получить такие электроны? На первый взгляд, ответ не вызы-вает затруднений – ведь каждое из окружающих нас веществ содержит мно-жество электронов. Задача заключается лишь в том, чтобы « оторвать» их от ядра и при необходимости «извлечь» из вещества. Но, оказывается , это возможно лишь при выполнении определенных условий, о которых и пойдет речь ниже.

При температуре абсолютного нуля (Т =0° К) и отсутствии других источников возбуждения электроны в атомах любого вещества занимают уровни с наименьшей энергией. В проводниках, обладающих высокой концентрацией электронов в зоне проводимости, распределение электронов по величинам энергии можно изобразить графиком (рис. 4.2.1), названным распределением Ферми (по оси абсцисс отложено значение энергии, а по оси ординат – количество электронов).

Из графика (кривая 1) видно. что при температуре абсолютного нуля нет электронов, обладающих энергией, большей Е_F(уровень Ферми). Величина Е_Fзависит от физических свойств материала и определяется выражением

где h– постоянная Планка;

m_e–масса электрона;

N– число свободных электронов в 1 см 3 проводника.

В металлах N » 10 22 …10 23 . Поэтому максимальная энергия Е_F элект-ронов внутри металла достигает десятков электрон-вольт. Однако выход электронов на поверхность металла при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий (освещения поверхности проводника, бомбардировка пучком электронов и т.п.) не наблюдается. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, те немногие электроны, которые выходят за пределы проводника, теряют большую часть своей энергии и накапливаются на поверхности металла. Между этими электронами и положительными ионами, находящимися внутри металла у его поверхности, образуется элект-рическое поле, направленное от проводника к слою электронов (рис. 4.2.2).

Совокупность положительных ионов у поверхности металла и электронов, появля-ющихся над поверхностью, называется двойным элект-рическим слоем. Действие двойного электри-ческого слоя на электроны, стремящиеся покинуть пределы металла, является тормозящим, так как этим электронам приходится лететь по направлению электрических силовых линий и отдавать свою энергию полю.

Во-вторых, если некоторое количество электронов все же вышло за пределы металла в окружающую среду, то металл будет их обратно притягивать. Объясняется это тем, что металл, лишенный части электронов, заряжается поло-жительно и, следовательно, между ним и вылетевшими электронами возникает электри-ческое поле, препятствующее выходу новых электронов.

Таким образом, для отрыва от поверхности проводника электроны должны затратить работу против электрических сил, возвращающих их обратно, т.е. некоторую полную энергию

Величина E₀называется работой выхода. Работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона е на пройденную разность потенциалов φ₀. Поэтому

Эта работа измеряется в электрон-вольтах (эВ).

Диаграмма изменения энергии при переходе электрона из металла в вакуум приведена на рис. 4.2.3. По оси ординат отложена величина энергии в соответствующих точках пространства, а по оси абсцисс – расстояние от поверхности металла. В целом кривая изображает потенциальный барьер, удерживающий электроны в металле.

Участок abсоответствует максимальной энергии электрона Е_Fвнутри металла; высота потенциального барьера определяет полную энергию Е_а, которую электрон должен иметь для выхода из металла, разность этих энергий соответствует работе выхода электрона еφ₀.

Величина работы выхода твердых тел зависит от их структуры и явля-ется физической характеристикой тела. Чем меньше у данного проводника работа выхода, тем меньшей должна быть затрата энергии для получения свободных электронов вне этого проводника.

Несколько сложнее обстоит дело с определением работы выхода электронов из полу-проводника. Как видно из рис. 4.2.4, выход электронов возможен из зоны проводимости с затратой работы χ₀ , с примесных уровней с затратой работы χ₁ и из валентной зоны с затратой работы χ₂, χ₃ .

Наименьшая работа χ₀ требуется для удаления электрона из зоны проводимости. Однако выход только таких электронов будет приводить к нарушению равновесного состояния электронного газа, которое может восстанавливаться за счет перехода электронов в зону проводимости с примесных уровней и из валентной зоны. Такой переход требует затраты работы, которая совершается частично за счет внутренней энергии кристалла, вследствие чего при восстановлении равновесия кристалл охлаждается. При удалении электронов из валентной зоны равновесие восстанавливается путем перехода в эту зону части электронов из зоны проводимости. Это сопровождается выделением энергии и приводит к нагреванию кристалла.

И только одновременное удаление электронов с уровней, расположенных выше и ниже уровня Ферми, и в таком соотношении, чтобы их средняя энергия отвечала уровню химического потенциала , не приводит к изменению температуры полупроводника и нарушению равновесия системы. Поэтому и для полупроводников за работу выхода принимают расстояние от уровня Ферми до нулевого уровня, хотя на самом уровне Ферми может не находиться ни одного электрона.

Работа выхода измеряется обычно в электрон-вольтах. Отношение работы выхода к заряду электрона представляет собой потенциал выхода. Работа выхода, измеренная в электрон-вольтах, численно равна потенциалу выхода, измеренному в вольтах.

Работа выхода электронов из металла. Контактная разность потенциалов. Законы Вольта

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. Укажем две вероятные причины появления работы выхода:

2. Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10–10—10–9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла.

Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя. Разность потенциалов  в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода (А) электрона из металла:

где е — заряд электрона. Так как вне двойного слоя электрическое поле отсутствует, то потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен и равен . Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла равна —е и является относительно вакуума отрицательной. Исходя из этого можно считать, что весь объем металла для электронов проводимости представляет потенциальную яму с плоским дном, глубина которой равна работе выхода А. Полупроводниковые триоды (транзисторы) Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы—диода. Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р-п-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом.

Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (заряда, равного заряду электрона) при прохождении им разности потенциалов в 1 В. Так как заряд электрона равен 1,610–19 Кл, то 1 эВ= 1,610–19 Дж.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт (например, у калия A = 2,2 эВ, у платины A=6,3 эВ). Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно уменьшить работу выхода. Например, если нанести на поверхность вольфрама (А = 4,5 эВ) слой оксида щелочно-земельного металла (Са, Sr, Ва), то работа выхода снижается до 2 эВ.

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ - разность потенциалов, возникающая между находящимися в электрич. контакте проводниками в условиях тер-модинамич. равновесия. Между двумя проводниками, приведёнными в соприкосновение, происходит обмен электронами, в результате чего они заряжаются (проводник с меньшей работой выхода положительно, а с большей - отрицательно) до тех пор, пока потоки электронов в обоих направлениях не уравновесятся и во всей системе уровень эл--хим. потенциала (ферми-уровенъ)станет одинаковым. Установившаяся К. р. п. равна разности работ выхода проводников, отнесённой к заряду электрона.

Электрич. поле К. р. п., создаваемое приконтактным объёмным зарядом, сосредоточено вблизи границы раздела и в зазоре между проводниками. Протяжённость приконтактной области тем меньше, чем больше концентрации электронов проводимости в проводниках: в металлах см. При контакте полупроводника с металлом практически вся область приконтактного поля локализована в полупроводнике.

Электрич. поле К. р. п. изменяет концентрации свободных носителей заряда (электронов, дырок) в при-контактном слое. Когда концентрация осн. носителей заряда в полупроводниках понижается, приконтактный слой представляет собой область повыш. сопротивления (запирающий слой). Т. к. концентрация носителей и, следовательно, сопротивление контакта изменяются несимметрично в зависимости от знака приложенного напряжения, то контакт двух полупроводников обладает вентильным (выпрямляющим) свойством. С К. р. п. связаны также вентильная фотоэдс, термоэлектричество и ряд др. электронных явлений.

Законы Вольта

Формула Vвн =

Если соединить несколько проводников из различных металлов при одинаковой температуре, то разность потенциалов на концах цепи будет равна алгебраической сумме разностей потенциалов на всех контактах.

+ =

Полученное соотношение выражает второй закон Вольта: разность потенциалов между концами цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.

Явление Зеебека

Если цепь, состоящую из разнородных проводников при одинаковой температуре, замкнуть, то в каждом из контактов возникнет разность потенциалов, но электрический ток в цепи не возникает:

Если контакты замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, поддерживать при различных температурах, то в цепи возникает электрический ток, направление которого изменяется при изменении знака разности температур. Результирующая контактная разность потенциалов равна:

DV = = a dT.

Явление Зеебека

Величина a dT называется Термоэлектродвижущей силой. Коэффициент a называется удельной термоэлектродвижущей силой (a = 10-4 — 10-5 В/К). Существование термо ЭДС связано с необходимостью непрерывно подводить тепло к горячему сплаю и отводить его от холодного. Явление Зеебека используется для измерения температур. Термопары представляют собой замкнутые цепи, содержащие спаи разнородных металлов. При измерении температуры один из спаев помещается в среду, температуру которой следует измерять, второй — в среду с известной температурой. По величине возникшего в цепи термотока можно судить о температуре среды. С помощью термопар можно измерять температуру с точностью порядка сотых долей градуса в широком интервале температур — от десятков до тысяч градусов абсолютной шкалы.

Явление Зеебека наблюдается также у полупроводников. Термопары изготовленные из полупроводников имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия ( до 15%, КПД металлических термопар 0,5%), поэтому их используют в качестве элементов блока питания радиоапаратуры.

Явление Пельтье

В 1834 г. Пельтье было открыто явление, обратное явлению Зеебека, которое заключается в том, что при протекании тока по цепи, состоящей из двух разнородных металлов в спаях выделяется или поглощается кроме ленц-джоулева тепла добавочное тепло (тепло Пельтье), пропорциональное количеству электричества, протекающего через спай.

Явление Пельтье можно объяснить следующим образом. При прохождении электрического тока через спай электроны проводимости будут ускоряться или замедляться контактной разностью потенциалов. При ускорении электронов в спае будет выделяться тепло, а при замедлении — поглощаться.

Явление Пельтье наблюдается также и у полупроводников. А. Ф. Иоффе предложил использовать явление Пельтье, наблюдающееся при контакте двух полупроводников с различными типами проводимости, для создания холодильных установок. В таких холодильниках рабочим элементом является батарея из спаев различных полупроводников. Одна половина спаев вводится в охлаждаемый объем, другая выводится наружу. При определенном направлении тока первая группа спаев поглощает тепло из внутреннего объма холодильника. Изменив направление тока можно использовать такую систему для нагрева внутреннего объема.

Читайте также: