Явление испускания электронов из металла при высокой температуре

Обновлено: 05.07.2024

Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – среда», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом.

Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов: ( ). Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке:

За пределами металла электрон приобретает энергию W₀. Это энергия притяжения. Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу

Эту работу называют работой выхода электрона из металла. Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию - заряд электрона.

Термоэлектронная эмиссия

Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела. Если энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, то процесс выхода электронов из металла называют термоэлектронной эмиссией.

В классической термодинамике металл представляют в виде ионной решетки, заключающей в себе электронный газ. Газ подчиняется законам идеального газа. Следовательно, в металле есть какое-то количество электронов, тепловая энергия которых больше работы выхода. Эти электроны и покидают металл. Если температуру увеличить, то увеличивается и число таких электронов.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду называется термоэлектронной эмиссией .

Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения.

Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла. Этими и другими причинами определяется величина работы выхода электрона из металла.

Холодная и взрывная эмиссия

Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной эмиссией или автоэлектронной . Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие:

d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред. Обычно у чистых металлов ,

На практике холодная эмиссия наблюдается при значении напряженности порядка Такое несовпадение связано с несостоятельностью классических представлений для описания процессов на микроуровне.

Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом которой служит острие, а анодом – обычный электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью. Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и потенциалом U относительно анода равна:

При и , что приведет к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной эмиссией с поверхности катода. Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U. При этом катод специально не разогревается, поэтому эмиссия называется холодной.

Током автоэлектронной эмиссии может инициироваться качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде. При этом появляется ток электронов, который на порядки превосходит начальный ток – наблюдается взрывная электронная эмиссия.

Взрывная эмиссия электронов играет фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых газах, т.е. там, где есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода.

Фотоэлектронная эмиссия

(фотоэффект) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения.

Здесь вместо разогрева катода на него направляют поток фотонов (свет) или γ-квантов.

Явление испускания электронов из металла при высокой температуре

Уже отмечалось, при переходе границы раздела между проводником и вакуумом скачком изменяются напряженность и индукция электрического поля. С этим связаны специфические явления. Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом (рис. 6.1).

Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов (). Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке 6.2.

В занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма, так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. За пределами металла электрон приобретает энергию W₀. Это энергия притяжения Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу

Эту работу называют работой выхода электрона из металла. Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию

Термоэлектронная эмиссия

В классической термодинамике металл представляют в виде ионной решетки, заключающей в себе электронный газ. Считают, что сообщество свободных электронов подчиняется законам идеального газа. Следовательно, в соответствии с распределением Максвелла при температуре, отличной от 0 К, в металле есть какое-то количество электронов, тепловая энергия которых больше работы выхода. Эти электроны и покидают металл. Если температуру увеличить, то увеличивается и число таких электронов.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую средуназываетсятермоэлектронной эмиссией. Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности (рис.6.1). Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум. Этими двумя и, возможно, другими причинами определяется величина работы выхода электрона из металла.

Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. Эдисоном, знаменитым американским изобретателем. Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом. Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током (рис. 6.3). Такая лампа называется вакуумным диодом. Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует. При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода. При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения I_н. При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода. Величина тока анода не пропорциональна U, и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

На рисунке 6.3 показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) I_a(U_a). Здесь U_з – задерживающее напряжение при котором I = 0.

Холодная и взрывная эмиссия

Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной эмиссией или автоэлектронной. Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие

здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред. Обычно у чистых металлов и При получим На практике же холодная эмиссия наблюдается при значении напряженности порядка Такое несовпадение относят на счет несостоятельности классических представлений для описания процессов на микроуровне.

С помощью автоэлектронной эмиссии принципиально возможно получение плотности тока но для этого нужны эмиттеры в виде совокупности большого числа острий, идентичных по форме (рис. 6.4), что практически невозможно, и, кроме того, увеличение тока до 10 8 А/см 2 приводит к взрывообразному разрушению острий и всего эмиттера.

Плотность тока АЭЭ в условиях влияния объемного заряда равна (закон Чайльда-Ленгмюра)

где – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией и материалом катода.

Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых).

Током автоэлектронной эмиссии при концентрации энергии в микрообъемах катода до 10 4 Дж×м –1 и более (при общей энергии 10 -8 Дж) может инициироваться качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде (рис. 6.4).

При этом появляется ток электронов, который на порядки превосходит начальный ток – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца.

ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получить потоки электронов мощностью до 10 13 Вт с плотностью тока до 10 9 А/см 2 .


Рис. 6.4	Рис. 6.5

Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов 10 11 ¸ 10 12 штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre») (рис. 6.5). Время образования лавин 10 -9 ¸ 10 -8 с.

Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков катода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии. Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода. Прекращение эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов.

Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках, т.е. там, где в наличии есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода.

Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские устройства, мощные релятивистские сверхвысокочастотные генераторы. Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность 10 13 Вт и более при длительности импульсов 10 -10 ¸ 10 -6 с, токе электронов 10 6 А и энергии электронов 10 4 ¸ 10 7 эВ. Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения.

Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны изображенным на рисунке 6.3. Здесь, вместо разогрева катода, на него направляют поток фотонов или γ-квантов (рис. 6.6).

Закономерности фотоэффекта еще в большей степени не согласуются с классической теорией, чем в случае холодной эмиссии. По этой причине мы рассмотрим теорию фотоэффекта при обсуждении квантовых представлений в оптике.

В физических приборах, регистрирующих γ – излучение, используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Схема прибора приведена на рисунке 6.7.

В нем используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичную электронную эмиссию, которая заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке последнего другими электронами. Электроны выбиваются светом из фотокатода (ФК). Ускоряясь между ФК и первым эмиттером (КС₁), они приобретают энергию, достаточную, чтобы выбить большее число электронов из следующего эмиттера. Таким образом, умножение электронов происходит за счет увеличения их числа при последовательном прохождении разности потенциалов между соседними эмиттерами. Последний электрод называют коллектором. Регистрируют ток между последним эмиттером и коллектором. Таким образом, ФЭУ служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, попадающему на фотокатод, что и используют для оценки радиоактивности.

Термоэлектронная эмиссия: понятие, особенности. Термоэлектронная эмиссия в вакууме

Сегодня в фокусе внимания термоэлектронная эмиссия. Рассматриваются варианты названия эффекта, его проявление в среде и в вакууме. Исследуются температурные пределы. Определяются зависимые составляющие плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии.

Названия эффекта термоэлектронной эмиссии

Термин «термоэлектронная эмиссия» имеет и другие названия. По именам ученых, которые открыли и впервые исследовали это явление, он определяется как эффект Ричардсона или эффект Эдисона. Таким образом, если человеку в тексте книги встретятся эти два словосочетания, он должен помнить, что подразумевается все тот же физический термин. Путаницу внесло разногласие между публикациями отечественных и зарубежных авторов. Советские физики стремились давать законам поясняющие определения.

Термин «термоэлектронная эмиссия» содержит в себе суть явления. Человеку, который видит это словосочетание на странице, сразу понятно, что речь идет о температурном испускании электронов, только остается за кадром, что происходит это непременно в металлах. Но для того и существуют определения, чтобы раскрывать детали. В зарубежной науке очень щепетильно относятся к первенству и авторскому праву. Поэтому ученый, который смог зафиксировать нечто, получает именное явление, а бедные студенты должны фактически наизусть заучивать фамилии первооткрывателей, а не только суть эффекта.

Определение термоэлектронной эмиссии

Явление термоэлектронной эмиссии состоит в том, что из металлов при высокой температуре выходят электроны. Таким образом, нагретое железо, олово или ртуть являются источником этих элементарных частиц. Механизм строится на том, что в металлах существует особая связь: кристаллическая решетка положительно заряженных ядер является как бы общей базой для всех электронов, которые образуют облако внутри структуры.

Таким образом, среди отрицательно заряженных частиц, которые находятся вблизи поверхности, всегда найдутся такие, у которых достаточно энергии, чтобы покинуть объем, то есть преодолеть потенциальный барьер.

Температура эффекта термоэлектронной эмиссии

Благодаря металлической связи вблизи поверхности любого металла найдутся электроны, у которых достаточно сил для преодоления потенциального барьера выхода. Однако из-за этого же разброса энергий одна частица едва отрывается от кристаллической структуры, а другая вылетает и преодолевает некоторое расстояние, ионизируя среду вокруг себя. Очевидно, что чем больше кельвинов в среде, тем больше электронов приобретают способность покинуть объем металла. Таким образом, встает вопрос о том, какова температура термоэлектронной эмиссии. Ответ непрост, и рассматривать мы будем нижнюю и верхнюю границы существования этого эффекта.

Температурные пределы термоэлектронной эмиссии

Связь позитивных и негативных частиц в металлах обладает рядом особенностей, среди которых очень плотное распределение энергий. Электроны, являясь фермионами, занимают каждый свою энергетическую нишу (в отличие от бозонов, которые способны находиться все в одном состоянии). Несмотря на это, разница между ними настолько мала, что спектр может считаться непрерывной, а не дискретной величиной.

В свою очередь это приводит к большой плотности состояний электронов в металлах. Однако даже при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, (напомним, это ноль кельвинов, или примерно минус двести семьдесят три градуса по Цельсию) будут находиться электроны с большей и меньшей энергией, так как все они одновременно не смогут быть в низшем состоянии. Значит, при определенных условиях (тонкая фольга) очень редко выход электрона из металла будет наблюдаться даже при экстремально низких температурах. Таким образом, нижним пределом температуры термоэлектронной эмиссии может считаться значение, близкое к абсолютному нулю.

С другой стороны температурной шкалы стоит плавление металла. Согласно физико-химическим данным, у всех материалов этого класса данная характеристика различается. Иными словами, металлов с одинаковой температурой плавления не существует. Ртуть или жидкость при нормальных условиях переходит из кристаллической формы уже при минус тридцати девяти градусах Цельсия, тогда как вольфрам - при трех с половиной тысячах.

Однако все эти пределы роднит одно – металл перестает быть твердым телом. А значит, законы и эффекты меняются. И говорить о том, что в расплаве существует термоэлектронная эмиссия, не приходится. Таким образом, верхним пределом этого эффекта становится температура плавления металла.

Термоэлектронная эмиссия в условиях вакуума

Все рассмотренное выше относится к явлению в среде (например, на воздухе или в инертном газе). Теперь обратимся к вопросу, что такое термоэлектронная эмиссия в вакууме. Для этого опишем простейший прибор. В колбу, из которой откачали воздух, помещают тонкий стержень из металла, к которому подводят отрицательный полюс источника тока. Заметим, что материал должен плавиться при достаточно высоких температурах, чтобы во время эксперимента не потерять кристаллическую структуру. Полученный таким образом катод окружают цилиндром из другого металла и подсоединяют к нему положительный полюс. Естественно, анод тоже находится в заполненном вакуумом сосуде. При замыкании цепи получаем ток термоэлектронной эмиссии.

Примечательно то, что в этих условиях зависимость тока от напряжения при не меняющейся температуре катода подчиняется не закону Ома, а закону трех вторых. Еще он назван именем Чайлда (в других версиях Чайлда-Ленгмюра и даже Чайлда-Ленгмюра-Богуславского), а в немецкоязычной научной литературе – уравнением Шоттки. При увеличении напряжения в такой системе в определенный момент все электроны, вырываемые из катода, достигают анода. Это называется током насыщения. На вольт-амперной характеристике это выражается в том, что кривая выходит на плато, и дальнейшее увеличение напряжения не эффективно.

Формула термоэлектронной эмиссии

Таковы особенности, которыми обладает термоэлектронная эмиссия. Формула достаточно сложная, поэтому приводить её здесь не будем. К тому же её легко найти в любом справочнике. Вообще, формулы термоэлектронной эмиссии как таковой не существует, рассматривают только плотность тока насыщения. Эта величина зависит от материала (который определяет работу выхода) и термодинамической температуры. Все остальные составляющие формулы – константы.

На основании термоэлектронной эмиссии работает множество приборов. Например, старые большие телевизоры и мониторы в основе имеют именно этот эффект.

Информационный лист по физике на тему: "Термоэлектронная эмиссия. Вакуумные приборы.Закон Электролиза. Электролиты.

• Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами - анодом, имеющим положительный потенциал, и
катодом с отрицательным потенциалом.

• Катодом лампы может служить нить из
тугоплавкого металла (вольфрам, молибден
тантал и др.), нагреваемая электрическим
током.

• Такая лампа называется вакуумным диодом.

Диод состоит из стеклянного или металлического

корпуса из которого откачан воздух. В баллон впаяны

два электрода - катод и анод. В диоде с катодом

косвенного накала имеется миниатюрная "печка",

которая служит для разогрева катода Обычно катод устроен

в виде цилиндра внутри которого расположен подогреватель, анод же представляет собой цилиндр, который расположен вокруг катода. Если подать в анод лампы положительный потенциал относительно катод
то электрическое поле между анодом и катодом будет способствовать движению электронов от катода к аноду .

Если катод холодный, то ток в цепи катод - анод
практически отсутствует.

При повышении температуры катода в цепи

катод - анод появляется электрический ток, который тем
больше, чем выше температура катода.

При постоянной температуре катода ток в цепи

катод -анод возрастает с повышением разности

потенциалов U между катодом и анодом и выходит

к некоторому стационарному значению,

называемому током насыщения /_н.

При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом,
достигают анода. Величина тока анода не пропорциональна U , и поэтому
для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум называется термоэлектронной эмиссией.

Термоэлектронная эмиссия - электроны приобретают кинетическую энергию при нагревании металла. Нагретый металл до 1000 - 1500°С будет окружён 'облаком" электронов. Значительное число электронов будет иметь кинетическую энергию, превышающую работу выхода, и эти электроны могут вылетать из металла.

Вакуумные диоды применяются для выпрямления переменного электрического тока

Природа тока в жидкостях. Закон электролиза. Электролиты.

Проводниками электрического тока являются не только металлы и полупроводники. Электрический ток проводят растворы многих веществ в воде. Как показывает опыт, чистая вода не проводит электрический ток, то есть в ней нет свободных носителей электрических зарядов. Не проводят электрический ток и кристаллы поваренной соли, хлорида натрия. Однако раствор хлорида натрия является хорошим проводником электрического тока. Растворы солей, кислот и оснований, способные проводить электрический ток, называются электролитами

Прохождение электрического тока через электролит обязательно сопровождается выделением вещества в твёрдом или газообразном состоянии
на поверхности электродов. Выделение вещества на электродах показывает,
что в электролитах электрические заряды переносят заряженные атомы
вещества - ионы. Этот процесс называется электролизом.

Майкл Фарадей на основе экспериментов с различными электролитами установил, что при электролизе масса m выделившегося на электроде вещества пропорциональна прошедшему через электролит заряду ∆ q или силе тока I и времени ∆ t прохождения тока:

m = k ∆ q = kI ∆ t .

Это уравнение называется законом электролиза. Коэффициент k , зависящий от выделившегося вещества, называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Проводимость электролитов

Проводимость жидких электролитов объясняется тем, что при растворении
в воде нейтральные молекулы солей, кислот и оснований распадаются на
отрицательные и положительные ионы. В электрическом поле ионы приходят в
движение и создают электрический ток.

Агрегатное состояние электролитов

Существуют не только жидкие, но и твёрдые электролиты. Примером твёрдого
электролита может служить стекло. В составе стекла имеются положительные и отрицательные ионы. В твёрдом состоянии стекло не проводит электрический ток, так как ионы не могут двигаться в твёрдом теле.
При нагревании стекла, ионы получают возможность перемещаться под действием электрического поля, и стекло становится проводником.

Применение электролиза

Явление электролиза применяется на практике для получения многих
металлов из раствора солей. С помощью электролиза для защиты от
окисления или для украшения производится покрытие различных
предметов и деталей машин тонкими слоями таких металлов, как хром,
никель, серебро, золото.

Читайте также: