 |
Теоретическая часть
|
|
|
|
Изучение термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода
Цель работы:исследование термоэлектронной эмиссии с поверхности катода вакуумного диода и определение работы выхода материала катода.
Теоретическая часть
Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов с поверхности нагретого металла. Для получения заметной величины термоэлектронной эмиссии необходимо нагреть металл до температуры, значительно выше комнатной (2000-2500 К).
Металл представляет собой кристаллическое тело, в узлах решетки которого расположены положительно заряженные ионы, между которыми свободно перемещаются электроны, оторвавшиеся от атомов (свободные электроны). Вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Они возникают вследствие притяжения между электронами и положительными ионами решетки. Таким образом, для того чтобы электроны могли покинуть поверхность металла, им необходимо сообщить некоторую дополнительную энергию.
Вследствие квантовых эффектов энергия электронов внутри металла может принимать только дискретные значения, причем обладать одинаковой энергией с учетом спина электрона могут не более двух электронов. Энергетическая диаграмма электронов в металле (в потенциальной яме) при температуре Т = 0 К изображена на рис.1. Сплошными линиями изображены энергетические уровни, занятые электронами (на каждом уровне - два электрона), а пунктирными линиями - свободные уровни. Энергия последнего уровня, занятого электронами, называется уровнем Ферми или энергией Ферми ЕF.
Рис.1. Энергетическая диаграмма электронов в металле при абсолютном нуле, 
- энергия, соответствующая дну потенциальной ямы (зоны проводимости), 
- энергия Ферми
|
|
|
Для удаления электрона за пределы металла разным электронам нужно сообщить, очевидно, неодинаковую энергию. Наименьшая энергия, необходимая электрону для того, чтобы покинуть поверхность металла в вакууме называется работой выхода А электрона из металла. Ее часто обозначают как е j, где 
= 1,6×10-19 Кл - элементарный заряд, j - так называемый потенциал выхода.
Из диаграммы следует, что в соответствии с определением работы выхода ее величина при Т = 0 К
.
Определение работы выхода распространяется и на температуры, отличные от абсолютного нуля. При этом следует учесть, что энергия Ферми и глубина потенциальной ямы зависят от температуры. Это приводит к тому, что работа выхода также зависит от температуры. Но эта зависимость слабая. В данной работе мы пренебрегаем зависимостью работы выхода от температуры.
Распределение электронов в металлах подчиняется распределению Ферми-Дирака, согласно которому вероятность того, что состояние с энергией 
при температуре Т занято электроном, равна
где 
- постоянная Больцмана, 
- абсолютная температура. Вид этого распределения показан на рис.2.
Рис. 2. Распределение электронов в металле по энергиям для температур 
и 
При низких температурах количество электронов, обладающих энергией, достаточной для выхода из металла, незначительно. При повышении температуры доля электронов, имеющих энергию, превышающую энергию Ферми, увеличивается. К тому же максимальная энергия таких электронов также увеличивается (см. рис.2). Она может стать настолько большой, что некоторые из электронов могут преодолеть энергетический барьер и выйти наружу. Если в окружающем вакууме существует электрическое поле, направленное к поверхности металла, то оно будет увлекать вышедшие электроны, и через вакуум потечет термоэлектронный ток.
|
|
|
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии удобна вакуумная лампа с двумя электродами - вакуумный диод. Такие лампы применяются в радиотехнике для выпрямления переменного тока.
Катодом лампы служит проволока (нить) из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден и др.), накаливаемая электрическим током. Получить сильные термоэлектронные токи с катодами из этих металлов можно лишь при очень высоких температурах накала, т.к. работа выхода из тугоплавких металлов относительно велика (А = 4,52 эВ для вольфрама). Между тем на практике весьма существенно снизить рабочую температуру катода для уменьшения затрат энергии и увеличения срока службы лампы. Это достигается созданием на поверхности катода тонкого покрытия ионами щелочноземельных металлов (толщиной в несколько атомных слоев). Покрытие сильно понижает работу выхода и тем самым увеличивает эмиссионную способность катода.
|
|
|
