Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЛР 3.doc
Скачиваний:
19
Добавлен:
22.05.2015
Размер:
349.18 Кб
Скачать

Лабораторная работа № 3 (С)

Изучение ТЕРМОЭЛЕКТРОННой ЭМИССИи

Цель работы:Определение температуры электронного газа, контактной разности потенциалов между катодом и анодом и эффективной работы выхода.

Оборудование:стенд С3-ОК01, источник питания ИПС-1, мультиметры.

Основы теории

1. Работа выхода

Металлы, имеющие кристаллическое строение, содержат в узлах решетки положительные ионы, а валентные электроны атомов свободно распределены по всему объему образца, их называют также электронами проводимости. Слово «свободно» не следует понимать буквально, так как в действительности в объеме вещества электроны взаимодействуют как с ионами, так и с остальными электронами, но равнодействующая всех сил, действующих на отдельный электрон, близка к нулю. В этом приближении электроны проводимости в металлах можно считать идеальным газом, но, довольно высокой плотности – 1028…1029м-3, в то время как концентрация молекул в газах при нормальных условиях составляет порядка 1025м-3.

Электроны проводимости, хаотически движущиеся внутри металла, редко выходят за его пределы, этому препятствует электрическое поле, действующее вблизи поверхности металла и создающее некоторый потенциальный барьер. Выйти за пределы металла удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, обуславливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайный выход электрона за пределы наружного слоя приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда (рис.1), отчего между электроном и металлом возникает сила притяжения, препятствующая удалению электрона:

, (1)

где ε– диэлектрическая проницаемость среды (для вакуумаε=1).

Эта сила носит название "силы электрического изображения", так как действие распределенного по поверхности проводника заряда эквивалентно действию равного по величине положительного заряда, являющегося зеркальным изображением электрона. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от нее на несколько межатомных расстояний и затем поворачивают обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким «облаком» электронов.

При расстояниях xd, гдеd– межатомное расстояние, поверхность металла нельзя считать идеально гладкой, так как она представляет собой ионный слой его кристаллической решетки. Эту близлежащую область можно представить как двойной электрический слой. Первый слой – электронное «облако» образованное вышедшими из металла электронами. Второй слой – это поверхность металла, которую покинули некоторые электроны, от чего она приобрела положительный поверхностный заряд. Можно считать, что в этой области на электрон действует постоянная сила (как в поле плоского конденсатора).

(2)

Обе силы F1иF2 направлены в сторону металла, и приx=dF1=F2(рис.2а).

Чтобы перевести электрон из металла в вакуум, нужно совершить положительную работу против этих сил, которая пойдет на увеличение потенциальной энергии электрона, оказавшегося вне металла.

(3)

Таким образом, если принять потенциальную энергию электрона в вакууме на расстояниих>>d равной нулю, то электрон в металле находится в потенциальной яме глубинойW0(рис.2б), т.е. потенциальная энергия электронов проводимости в металле меньше, чем вне металла на величину равную глубине потенциальной ямы. Так как расстояниех, на котором энергия электрона изменяется отW0практически до нуля при переходе его из металла в вакуум, невелико и составляет несколько межатомных расстояний, то при макроскопическом рассмотрении можно говорить, что потенциальная энергия электрона на границе металл–вакуум изменяется скачком (криваяKMNна рис.3) и форма потенциальной ямы прямоугольная.

Полная энергия электрона в кристалле складывается из потенциальной и кинетической энергий. Согласно классической теории электропроводности при абсолютном нуле температуры потенциальная энергия всех электронов проводимости равнаW0, а кинетическая равна нулю.

Согласно квантовой теории, даже при абсолютном нуле энергия электронов не равна W0, электроны распределяются по энергетическим уровням в соответствии спринципом Паули: в системе не может быть более двух электронов с одной и той же энергией, а два электрона с одинаковой энергией должны отличаться направлением спина. Энергия всех электронов неодинакова и квантована, т.е. имеет строго определенное значение характерное для занимаемого им энергетического уровня. Это подтверждается опытами.

Наибольшая энергия, которой обладает электрон на самом высоком занятом уровне при абсолютном нуле, называется энергией ФéрмиWF(рис.3). Таким образом, чтобы извлечь электрон из металла, нужно затратить меньшую энергию, чемW0. Та наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы перевести его из металла в вакуум, называетсяработой выхода электрона А:

A= W0 WF (4)

При комнатной температуре практически все свободные электроны заперты в пределах проводника; имеется лишь небольшое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти из металла.

Однако электронам можно сообщить дополнительную энергию различными способами. В этом случае часть электронов получает возможность покинуть металл, и наблюдается испускание электронов с поверхности – электронная эмиссия.

В зависимости от того, каким способом сообщена электронам энергия, различают типы электронной эмиссии: термоэлектронная эмиссия –испускание электронов при нагревании металла, т.е. электроны получают энергию за счет тепловой энергии тела при повышении его температуры; фотоэмиссия – выход электронов из металла под действием света, а так же коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновского);вторичная эмиссиянаблюдается если энергия сообщается электронам металла при бомбардировке извне пучком других электронов;автоэлектронная эмиссия – выход электронов из металла за счет высокой напряженности электрического поля.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]