Термоэлектронная эмиссия

Если металл нагреть до достаточно высокой температуры (практически до красного каления), из него начинают интенсивно испаряться электроны. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Добиться выхода электронов из металла можно и другими путями. Например, при освещении металла светом достаточно высокой частоты наблюдается фотоэлектронная эмиссия, а если поместить металл в очень сильное электрическое поле, то возможно появление автоэлектронной эмиссии. Рассмотрим физическую природу термоэлектронной эмиссии.

Рис. 17.1. Металл как потенциальная яма. а, б - внутренний потенциал металла; в - потенциальная энергия электрона внутри металла

Положительные ионы, образующие решетку металла, создают внутри металла электрическое поле с положительным потенциалом, периодически меняющимся при перемещении вдоль линии, проходящей через узлы решетки (рис.17.1а). В грубом приближение этим изменением потенциала можно пренебречь и считать потенциал во всех точках металла одинаковым и равным (рис.17.1б). – называется внутренним потенциалом металла. Свободный электрон, находящийся в таком поле, обладает отрицательной потенциальной энергией равной (где e – заряд электрона).

На рис.17.1в представлено изменение потенциальной энергии электрона при переходе его из вакуума в металл: в вакууме , в металле . Это изменение хотя и носит характер скачка, но происходит не мгновенно, а на протяжении отрезка x, по порядку величины равного нескольким параметрам решетки. Из рисунка видно, что металл является для электрона потенциальной ямой, которую он не может свободно покинуть. Поэтому выход электрона из металла требует затраты энергии на совершение работы по преодолению сил, удерживающих электрон в металле. Так как изменение потенциальной энергии электронов при выходе из металла происходит лишь на отрезке x непосредственно у поверхности металла, то и действие сил, препятствующих выходу, сосредоточено только на этом отрезке. Внутри металла и вне этого отрезка потенциальная энергия электрона постоянна и эти силы равны нулю ().

Рассмотрим более подробно природу сил, препятствующих выходу электронов из металла.

Рис. 17.2. "Испарение" электронов и образование двойного

электрического слоя у поверхности металла.

Свободные электроны металла даже при абсолютном нуле обладают значительной кинетической энергией и стремятся покинуть металл. Огромное большинство электронов, имеющих кинетическую энергию недостаточную для выхода из металла, двигаясь к поверхности, могут выйти за ее пределы лишь на незначительное расстояние. Затем силы притяжения положительных ионов заставляют их возвратиться обратно (траектория 1, рис.17.2). Вследствие этого металл оказывается всегда окутанным электронами, образующими над ним тонкий отрицательно заряженный слой. Поверхность металла заряжается соответственно положительным зарядом. Толщина x₀этого двойного слоя по порядку величины равна параметру решетки кристалла. Оба слоя образуют своеобразный конденсатор с разностью потенциалов U₁. На электрон, проходящий через двойной слой, действуют возвращающие в кристалл силы. Следовательно, электрон, стремящийся покинуть металл, должен совершить работу, равную A₁ = eU₁ по преодолению этой разности потенциалов.

Кроме сил со стороны двойного слоя на электрон, покинувший металл, действует так называемая сила электрического изображения. Дело в том, что электрон, вышедший из металла и находящийся у его поверхности на расстояние x, поляризует поверхность металла, индуцируя на ней заряд “+ e ” (рис.17.3а), который действует на электрон так, как если бы он был сосредоточен под поверхностью металла на глубине x в точке, симметричной той, в которой находится электрон (рис.17.3б). Поэтому взаимодействие электрона с индуцируемым положительным зарядом на поверхности металла удобно заменить на взаимодействие электрона с “зеркально отраженным” положительным зарядом, находящимся на расстояние 2x. Сила взаимодействия этих зарядов равна:

(17.1)