§ 273. Эмиссия электронов

Работа выхода электрона.

Электроны, находящиеся в зоне про водимости, ведут себя как своеобразный электронный газ. «Стенками» сосуда, в котором находится этот газ, является поверхность твердого тела. Чтобы выйти за пределы этой поверхности, электрон должен преодолеть потенциальный барьер, высоту которого обозначим через Как нам известно, при абсолютном нуле электроны обладают граничной энергией В модели электронного газа соответствует поверхности Ферми. Это — энергия электронов, находящихся при нуле градусов, на самом высоком уровне. Таким образом, для преодоления электроном потенциального барьера ему не нужно сообщать энергию а достаточно придать дополнительную энергию

Рис. 303.

Величина А носит название работы выхода, а можно назвать потенциалом выхода, или работой выхода, выраженной в вольтах (рис. 303).

Выход электрона из металла затрудняют силы притяжения, действующие со стороны положительных ионов, и силы притяжения между электроном и его электрическим изображением. Последняя сила равна если электрон находится на расстоянии х от поверхности.. Она способна удерживать электрон на существенном расстоянии от поверхности, образуя, таким образом, слой или облако электронов вблизи поверхности тела.

Если металл находится в электрическом поле, работа выхода снижается на величину где заряд электрона, напряженность поля. Чтобы снизить потенциал выхода на требуется напряженность внешнего поля В/см. (Мы видим» что в обычных электронных приборах влияние внешнего поля на работу выхода будет незначительным.)

Работа выхода очень резко зависит от свойств поверхности. Оказывается, можно нанести на поверхность катода

электроположительные атомы или ионы (металлы, кислород). При этом могут образоваться слои с обращенными наружу положительными зарядами. Работа выхода при этом может быть сильно понижена, как это видно из следующего примера.

Обычным материалом нити накала в электронных лампах является вольфрам, работа выхода которого Покрытие поверхности вольфрама слоем окисла щелочноземельного металла снижает работу выхода до Это позволяет при более низких температурах нити накала получать значительно большую эмиссию.

Рис. 304.

Термоэлектронная эмиссия.

Выход электронов из металла при нагревании носит название термоэлектронной эмиссии. Это явление, как известно, лежит в основе действия ламп накаливания. При повышении температуры электроны возбуждаются и некоторые из них могут получить скорости в направлении, перпендикулярном к поверхности тела, достаточные для преодоления потенциального барьера

Электронный газ подчиняется статистике Ферми — Дирака, согласно которой число электронов с энергией <§ пропорционально выражению Но нас интересуют энергии которые существенно больше энергии нулевого уровня Поэтому с достаточной точностью написанный множитель заменится Таково число электронов с энергией, равной высоте потенциальной ямы. Строго доказывается, что сила тока электронной эмиссии пропорциональна этому выражению. Из формулы очевиден исключительно быстрый рост термоэлектронного тока с температурой.

Для измерения термоэлектронного тока используется схема, показанная на рис. 304. Увеличивая напряжения, весьма быстро дойдем до тока насыщения. Выше мы имели в виду именно ток насыщения. Что же касается начального участка кривой термоток — напряжение, то он возникает из-за электронного облака, о котором было сказано выше. Напряжение, отсасывающее электроны, забирает частицы из электронного облака. Катод немедленно пополняет число электронов в облаке до равновесного значения. Это равновесное значение определяется в отсутствие внешнего напряжения эмиссионной способностью и противополем облака. По мере увеличения напряжения электронное облако тает, и эмиссия нарастает до тех пор, пока напряжение не исчерпает электронного облака полностью. Тогда и устанавливается ток насыщения.

Строгое рассмотрение приводит к такой зависимости плотности термоэлектронного тока от температуры:

(формула Ричардсона).

Для вольфрама Сравним плотности тока термоэлектронной эмиссии из вольфрама при температурах 500 К и 2000 К

При

т. е. для получения измеримых токов потребовались бы катоды невероятных размеров, превышающие площадь всей земной суши.

При

Такой ток уже легко измерить, но площадь эмиттирующей поверхности для многих приложений оказалась бы еще слишком большой.

Нанесение на вольфрам цезия меняет картину: теперь но и при К

Ясно, что такие плотности тока разрушили бы катод, поэтому нужные на практике значения можно теперь получить при более низкой температуре

Вторичная эмиссия.

Так называется вырывание электронов из металла под действием других электронов. Вторичные электроны могут выходить в направлении первичных электронов. Это показывает, что первичные электроны взаимодействуют со связанными электронами, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. Вторичная эмиссия начинается при энергии первичных электронов порядка Большинство вторичных электронов имеет энергию в несколько электрон-вольт, их распределение по энергиям почти не зависит от энергии первичных электронов.

Первичные электроны вызывают вторичные и, кроме того, упруго рассеиваются. Замечательным обстоятельством, широко используемым на практике (трубка Кубецкого), является то, что один первичный электрон может создать несколько вторичных.