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

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.

Выход электронов из металла

При нормальной температуре энергии электронов недостаточно для выхода их из тела. Чтобы получить электронную эмиссию, надо сообщить электронам добавочную энергию.

Отсутствие эмиссии при нормальной температуре объясняется двумя причинами .

Первая состоит в том, что электроны, имеющие наибольшую энергию (W 0 и более), при своем беспорядочном движении подходят к поверхности металла, но их притягивают обратно положительные ионы пространственной решетки. На поверхности образуется «электронная пленка» (рис.5.3, а ). Конечно, она не является «застывшей», а находится в динамическом равновесии. Новые электроны приходят в эту «пленку», а ранее попавшие в нее уходят обратно в глубь металла.

Между электронной пленкой и положительными ионами существует электрическое поле, которое тормозит электроны, стремящиеся выйти из тела (рис.5.3, б). Говорят, что на поверхности металла получается двойной электрический слой (слой электронов над слоем ионов). Чтобы пройти этот слой, электрон должен иметь энергию больше W 0 .

Рис.5.3. Электронная пленка (а) и электрическое поле двойного электрического слоя (б)

Вторая причина, препятствующая выходу электронов , заключается в том, что металл, лишенный части электронов, заряжается положительно. Между ним и вылетевшими электронами возникает электрическое поле, под действием которого электроны притягиваются обратно к металлу. Сила этого притяжения быстро убывает при удалении электрона от поверхности металла. Ее можно считать равной нулю, когда электрон удалится от поверхности металла на несколько междуатомных расстояний.

Таким образом, чтобы вылететь в вакуум и не быть связанным с металлом, электрон должен иметь сверх энергии W 0 еще энергию, необходимую для преодоления силы обратного притяжения к металлу.

Энергия, которую нужно сообщить для выхода из металла электрону дополнительно к максимальной энергии W 0 , имеющейся при температуре абсолютного нуля, называется эффективной работой выхода или просто работой выхода (W вых).

Полная работа, совершаемая электроном при выходе из металла, равна W 0 + W вых. Ее иногда называют полной работой выхода , а величины W 0 и W вых соответственно внутренней и внешней работой выхода .

Работа по перемещению электрического заряда, отнесенная к величине заряда, равна разности потенциалов, которую проходит заряд. Если работу W 0 + W вых разделить на заряд электрона е, то получится некоторая разность потенциалов.

Так как электрон при выходе из металла расходует энергию, то потенциал в вакууме отрицателен относительно металла. Приняв потенциал металла за нулевой, можно написать, что потенциал φ в вакууме вблизи поверхности металла равен:

где φ 0 - потенциал на границе электронной пленки и вакуума;

φ вых - потенциал, соответствующий работе выхода.

На рис.5.4,а показан график изменения потенциала при переходе из металла в вакуум. По вертикали отложен отрицательный потенциал φ, по горизонтали - расстояние х. На границе металла и вакуума получается «скачок» потенциала или «потенциальный барьер» для электронов. В электронной пленке потенциал повышается в отрицательную сторону на φ 0 и далее в вакууме он растет еще дополнительно на φ вых. Полная «высота» барьера составляет φ 0 + φ вых. Для преодоления барьера электрон должен иметь энергию не менее W 0 + W вых электрон-вольт или «скорость» не менее φ 0 + φ вых вольт.

Рис.5.4. Потенциальный барьер на границе металла и вакуума (а)

и его механическая аналогия (б)

Наглядная механическая модель выхода электронов изображена на рис.5.4, б. Потенциальный барьер заменен горкой, переходящей в плоскогорье, а электроны - шариками, находящимися у подножия. Чтобы шарики могли вкатиться на горку, они должны иметь определенную кинетическую энергию, зависящую от высоты h. Если энергии недостаточно, то шарики скатываются обратно. По аналогии с движением электронов в вакууме считают, что шарики катятся без трения. Для удобного перехода к такой механической аналогии отрицательный потенциал на рис.5.4 отложен вверх.

Работа выхода различна для разных металлов и составляет несколько электрон-вольт. Чем она больше, тем труднее получить электронную эмиссию. У металлов, имеющих большие междуатомные расстояния, работа выхода меньше. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, например цезий, барий, кальций.

Исследование явления электронной эмиссии показало, что примеси других веществ на поверхности металла оказывают значительное влияние на работу выхода .

Если на поверхности основного металла расположены атомы веществ, отдающие электроны данному металлу, то наблюдается увеличение эмиссии. Такие вещества называют активирующими . Их влияние объясняется тем, что атомы, отдавшие часть электронов основному металлу, превращаются в положительные ионы и образуют на поверхности металла двойной электрический слой (рис.5.5).

Рис.5.5. Электрическое поле между металлом и положительными

ионами активирующего вещества

Электрическое поле этого слоя является ускоряющим для электронов, стремящихся выйти из металла, и работа выхода уменьшается. Наименьшая работа выхода получается, когда положительные ионы примеси располагаются одноатомным слоем .

Поле между пленкой активирующего вещества и основным металлом аналогично полю в конденсаторе с обкладками в виде металлических сеток (решеток). В конденсаторе поле существует только между обкладками, и если через отверстие отрицательно заряженной обкладки в это поле попадет электрон, то он с увеличенной скоростью вылетит через отверстие положительно заряженной обкладки.

Атомы некоторых веществ при соприкосновении с металлом отбирают у него электроны и превращаются в отрицательные ионы. Слой таких атомов на поверхности металла препятствует электронной эмиссии. Между этими атомами и основным металлом возникает поле, тормозящие эмитируемые электроны, и работа выхода возрастает.

Например, атомы кислорода на поверхности вольфрама увеличивают аботу выхода до 9,2 ЭВ. Говорят, что металл понижает эмиссионную способность вследствие «отравления» кислородом. При устройстве катодов обычно создают на поверхности основного металла активирующие слои, уменьшающие работу выхода, и принимают меры к тому, чтобы поверхность катода не «отравлялась» атомами кислорода.

Можно также уменьшить работу выхода путем покрытия поверхностей металлов слоями окислов щелочных и щелочноземельных металлов, называемых оксидами. Тогда, работа выхода получается еще меньше, чем в случае одноатомных пленок.

Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большей кинетической энергией, могут вырываться из металла в окружающее пространство. При этом они совершают работу как против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего в металле в результате их вылета, так и против сил отталкивания со стороны ранее вылетевших электронов, образующих вблизи поверхности проводника электронное “облако”. Между электронным газом, в металле и электронным «облаком” устанавливается динамическое равновесие. Работу, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в вакуум называют работой выхода. Она равна , где е -заряд электрона, - потенциал выхода. Работа выхода производится электронами - за счет уменьшения их кинетической энергии. Поэтому понятно, что медленно движущиеся электроны вырваться из металла не могут. Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности загрязнения, следы влаги и пр. изменяют ее величину. Для чистых металлов работа выхода колеблется в пределах нескольких электронвольт. Электрон проводимости может вылететь из какого либо металла в том случае, если его энергия превышает работу выхода А электрона из металла. Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией.

Концентрация электронов проводимости в металле весьма велика; их тепловые скорости при данной температуре различны и распределены, по классическим представлениям, в соответствии с законом Максвелла. Это означает, что даже при средних температурах в металле имеется достаточно большое число электронов проводимости, способных совершить работу выхода и вылететь из металла. При этом работа выхода равна убыли кинетической энергии

где m, е - соответственно масса и заряд электрона, и - скорости электрона до и после выхода из металла. При обычных температурах количество электронов, имеющих скорость, достаточную для вылета, очень невелика. Существуют несколько способов сообщения электронам дополнительной энергии, необходимой для удаления их из металла: нагревание проводника (термоэлектронная эмиссия); облучение металлов видимым и ультрафиолетовым светом (фотоэлектронная эмиссия); воздействие ускоряющего внешнего электрического поля (автоэлектронная, или холодная эмиссия); бомбардировка металла электронами или ионами.

Для того чтобы получить значительный поток электронов, так называемый эмиттер нагревают до температур порядка 2000÷2500 К.

Для исследования термоэлектронной эмиссии можно использовать установку, состоящую из двух электродов - анода А и катода К, которые помещены в вакуум (рис.18.1). Катод выполнен в виде нити, анод - в виде коаксиального цилиндра. Катод, являющийся источником электронов, подогревается с помощью специальной батареи накала Бн.

Анодная батарея Ба служит для создания электрического поля Евн между катодом и анодом. Когда нить разогрета, возникает электронное, облако, несущее отрицательный заряд. В результате включения батареи Ба анода поток электронов начинает двигаться между катодом и анодом, т.е. в цепи начинает протекать электрический ток. Сила тока зависит от температуры нити,

напряжения Ua, которое создает анодная батарея, материала катода и геометрии электродов. Зависимость анодного тока, регистрируемого гальванометром G, от анодного напряжения I=f(Ua) называется вольт - амперной характеристикой установки.

Такую характеристику можно снять экспериментально, поддерживая напряжение накала постоянным и изменяя напряжение Ua (рис. 18.2). На этой вольт - амперной характеристике можно выделить три области. Область I соответствует тому случаю, когда к электродам прикладывается задерживающая разность потенциалов (к аноду подключается отрицательный полюс батареи), т.е. поле Е тормозит электроны. Однако ток в цепи все же идет потому, что часть электронов, вылетающих из раскаленной нити, имеет энергию, достаточную для преодоления задерживающей разности потенциалов. Эта часть вольт - амперной характеристики называется «кривой задержки”. Помимо электрического поля Евн, создаваемого анодной батареей, между катодом и анодом существующее поле обязанное своему возникновению летящими электронами. Электроны, движущиеся от катода к аноду, создают определенный объемный заряд, который вызывает электрическое поле Еоб будет тормозить электроны при их вылете из катода и ускорять при подлете к аноду. При увеличении разности потенциалов Ua поле Е0б будет уменьшаться. Поэтому все большее количество электронов станет долетать до анода и сила тока будет расти (область II).

При некотором значении разности потенциалов U a =U 0 суммарное поле Е вн + Е об у катода сделается равным нулю. При этом все вылетающие при данной температуре из катода электроны будут достигать анода. Поэтому дальнейшее повышение напряжения Ua не приведет к увеличению анодного тока I. Сила тока станет постоянной (область III). Такой ток называется током насыщения. Сила тока насыщения при прочих равных условиях зависит от температуры эмиттера. Зависимость плотности тока насыщения jH от абсолютной температуры Т удовлетворительно описывается формулой Ричардсона - Дэшмена.

(18.7)

где - средний коэффициент отражения электронов от границы эмиттер -вакуум, В - постоянная, зависящая от материала катода, А - работа выхода электрона, к - постоянная Больцмана.

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  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. Исходи из этого можно

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 -1 9 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.

§ 105. Эмиссионные явления и их применение

Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего на­блюдается явление испускания электро­нов, или электронной эмиссии. В зависи­мости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фо­тоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссии.

1. Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов нагретыми метал­лами. Концентрация свободных электро­нов в металлах достаточно высока, поэто­му даже при средних температурах вслед­ствие распределения электронов по скоро­стям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для прео­доления потенциального барьера на гра­нице металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше ра­боты выхода, растет и явление термоэлек­тронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термо­электронной эмиссии можно провести с по­мощью простейшей двухэлектродной лам­пы - вакуумного диода, представляюще­го собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В про­стейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, воль­фрама), накаливаемая электрическим то­ком. Анод чаще всего имеет форму ме­таллического цилиндра, окружающего ка­тод. Если диод включить в цепь, как это показано на рис. 152, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи Б а, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод ис­пускает отрицательные частицы - элек­троны.

Если поддерживать температуру на­каленного катода постоянной и снять за­висимость анодного тока I а от анодного напряжения U a - вольт-амперную харак­теристику (рис. 153), то оказывается, что она не является линейной, т. е. для ваку­умного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока I от анодного напряжения в области малых

положительных значений U описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883- 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 - 1957)):

I =BU 3/2 ,

где В - коэффициент, зависящий от фор­мы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максималь­ного значения I нас, называемого током на­сыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение на­пряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.

Плотность тока насыщения определя­ется формулой Ричардсона - Дешмана, выведенной теоретически на основе кван­товой статистики:

j нас =CT 2 e -A/(kT) .

где А - работа выхода электронов из ка­тода, Т - термодинамическая температу­ра, С - постоянная, теоретически одина­ковая для всех металлов (это не подтвер­ждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока на­сыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый ок­сидом щелочно-земельного металла), ра­бота выхода которых равна 1 -1,5 эВ.

На рис. 153 представлены вольт-ам­перные характеристики для двух темпера­тур катода: T 1 и Т 2 , причем T 2 >T 1 . С по­вышением температуры катода испуска­ние электронов с катода интенсивнее, при этом увеличивается и ток насыщения. При U a =0 наблюдается анодный ток, т. е. некоторые электроны, эмиттируемые катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и дости­жения анода без приложения электриче­ского поля.

Явление термоэлектронной эмиссии ис­пользуется в приборах, в которых необхо­димо получить поток электронов в вакуу­ме, например в электронных лампах, рен­тгеновских трубках, электронных микро­скопах и т. д. Электронные лампы широко применяются в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике для выпрямле­ния переменных токов, усиления электри­ческих сигналов и переменных токов, гене­рирования электромагнитных колебаний и т. д. В зависимости от назначения в лампах используются дополнительные управляющие электроды.

2. Фотоэлектронная эмиссия - это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковол­нового электромагнитного излучения (например, рентгеновского). Основные закономерности этого явления будут разобраны при рассмотрении фотоэлек­трического эффекта.

3. Вторичная электронная эмиссия - это испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлек­триков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных повер­хностью (упруго и неупруго отраженные электроны), и «истинно» вторичных элек­тронов - электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первич­ными электронами.

Отношение числа вторичных электро­нов n 2 к числу первичных п 1 , вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вто­ричной электронной эмиссии:

=n 2 /n 1 .

Коэффициент б зависит от природы мате­риала поверхности, энергии бомбардиру­ющих частиц и их угла падения на поверх­ность. У полупроводников и диэлектриков б больше, чем у металлов. Это объясняется тем, что в металлах, где концентрация электронов проводимости велика, вторич­ные электроны, часто сталкиваясь с ними, теряют свою энергию и не могут выйти из металла. В полупроводниках и диэлектри­ках же из-за малой концентрации элек­тронов проводимости столкновения вто­ричных электронов с ними происходят гораздо реже и вероятность выхода вторич­ных электронов из эмиттера возрастает в несколько раз.

Для примера на рис. 154 приведена качественная зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии б от энер­гии Е падающих электронов для KCl. С увеличением энергии электронов б воз­растает, так как первичные электроны все глубже проникают в кристаллическую ре­шетку и, следовательно, выбивают больше вторичных электронов. Однако при некото­рой энергии первичных электронов 6 на­чинает уменьшаться. Это связано с тем, что с увеличением глубины проникновения первичных электронов вторичным все труднее вырваться на поверхность. Значе­ние  max для KCl достигает 12 (для чистых металлов оно не превышает 2).

Явление вторичной электронной эмис­сии используется в фотоэлектронных ум­ножителях (ФЭУ), применяемых для уси­ления слабых электрических токов. ФЭУ представляет собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между кото­рыми расположено несколько электро­дов- эмиттеров (рис.155). Электроны, вырванные с фотокатода под действием света, попадают на эмиттер Э 1 , пройдя ускоряющую разность потенциалов между К и Э 1 . Из эмиттера Э 1 выбивается  электронов. Усиленный таким образом

электронный поток направляется на эмит­тер Э2, и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Если ФЭУ содержит n эмиттеров, то на аноде А, называемом коллектором, получается уси­ленный в б" раз фотоэлектронный ток.

4. Автоэлектронная эмиссия - это эмиссия электронов с поверхности метал­лов под действием сильного внешнего электрического поля. Эти явления можно наблюдать в откачанной трубке, конфигу­рация электродов которой (катод - острие, анод - внутренняя поверхность трубки) позволяет при напряжениях при­мерно 10 3 В получать электрические поля напряженностью примерно 10 7 В/м. При постепенном повышении напряжения уже при напряженности поля у поверхности катода примерно 10 5 -10 6 В/м возникает слабый ток, обусловленный электронами, испускаемыми катодом. Сила этого тока увеличивается с повышением напряжения на трубке. Токи возникают при холодном катоде, поэтому описанное явление назы­вается также холодной эмиссией. Объяс­нение механизма этого явления возможно лишь на основе квантовой теории.

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 х 0 от поверхности металла. В качестве х 0 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).

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 нас çS . 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 еj 1 , а работа выхода металла 2 больше, j 2 > j 1 .

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 j 12 .

Суммарное перетекание зарядов прекратится, когда уровни Ферми сравняются, а разность потенциалов между проводниками будет равна разности потенциалов выхода , j 12 = j 2 - j 1 , и встречные потоки электронов сравняются n 21 =-n 12 (рис.103 справа). Контактная разность потенциалов между проводниками создает для электронов, переходящих в проводник с большей работой выхода, потенциальный барьер высотой еj 12 .

Оценим количество электронов, перетекающих из одного металла в другой при возникновении контактной разности потенциалов j 12 . 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 j 12 , 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 j 12 =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 ç 10 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 еj 1 , еj 2 , еj 3 , еj 4 . На границе каждой пары возникает контактная разность:

(14.4)

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.

(14.6), (14.7)

Здесь n 01 и n 02 - концентрация электронов проводимости на уровнях Ферми. В силу полной заполняемости этих уровней будем полагать n 01 = n 02 ; U 1 и U 2 - 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 U 1 -U 2 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.

. (14.10)

Концентрация свободных электронов слабо зависит от температуры. Поэтому можно полагать, что n 1 A = n 1В = n 1 , n 2 A = n 2В = n 2 . ЭДС, возникающая в цепи, равна . (14.11)

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

Коэффициент а называют дифференциальной термо-ЭДС пары металлов . В таблице 14.2 приведены значения а для наиболее употребительных металлов в паре с платиной. Чтобы определить величину а пары металлов без платины, надо найти разность значений а в таблице. Например, для пары Bi - Sb, а = -65,0 - 47,0 = -112,0 мкВç К. Для пары медь - константан а = +7,4 - (-34,4) = 48,8 мкВç К.

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 = а DT .(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 Т 1 и Т 2 . Допустим, Т 1 > Т 2 . 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 = σ ΔTIt.

Здесь σ - коэффициент Томсона. Он зависит от материала провода и от его температуры. Коэффициент σ невелик. У металлов он порядка 10 -5 Вç К. 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.