Эмиссия электронов из проводников    

  Щелкните по ссылке "Эмиссия электронов из проводников ", чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint.

      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).

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.

Рис. 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

  (6.1.1) 

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

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

Рис. 6.3

      На рисунке 6.3 показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) Ia(Ua). Здесь Uз – 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

  (6.1.2) 

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.

      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 и называется холодной.

      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 108 А/см2 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 104 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 1013 Вт с плотностью тока до 109 А/см2.

 
  Рис. 6.4Рис. 6.5

      Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов 1011 ¸ 1012 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 1013 Вт и более при длительности импульсов 10-10 ¸ 10-6 с, токе электронов 106 А и энергии электронов 104¸ 107 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).

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.

Рис. 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.