Рассмотрим третий способ извлечения электронов из металла.

Предположим, что металл облучается светом определенной частоты. Это значит, что поверхность металла бомбардируется световыми квантами (фотонами), несущими в себе определенный запас энергии. Проникнув внутрь металла, световые кванты передают свою энергию электронам, которые затем могут использовать ее для преодоления потенциального порога и для выхода за пределы металла. Это явление называется внешним фотоэлектрическим эффектом или просто — фотоэффектом. Электроны, выброшенные из металла под действием света, будем называть фотоэлектронами.

Фотоэлектроны, покидающие металл, обладают широким спектром скоростей, т. е. в потоке фотоэлектронов при заданной частоте v падающего света имеются электроны с различными скоростями. Скорость фотоэлектрона при заданной v зависит от того, с какого энергетического уровня внутри металла был снят светом данный электрон. При температуре абсолютного нуля наивысшим энергетическим уровнем, занятым электроном, является уровень Ферми W_F (рис. 8).

Все уровни, лежащие выше уровня W_F, при Т = 0 пусты, а уровни, лежащие ниже уровня W_F, заняты. Скорость фотоэлектрона, снятого с уровня W_F, обозначим через _F. Очевидно (см. рис. 8),

, (4)

где m — масса электрона, hv — энергия падающего кванта, — работа выхода, с которой мы уже встречались, когда говорили о термоэлектронной эмиссии. Уравнение (4) выражает собой закон сохранения энергии. Частота v_кр, для которой энергия падающего кванта hv_кр равна работа выхода , называется красной границей фотоэффекта:

. (5)

Рис. 8. Энергетическая схема, иллюстрирующая происхождение быстрых и медленных фотоэлектронов (заштрихована область энергий, занятых электронами).

При Т = 0 скорость _F является максимальной. Это есть скорость самого быстрого электрона. В потоке фотоэлектронов имеются и более медленные электроны, снятые с более глубоких уровней (например, с уровня W₁ на рис. 8).

При Т > 0 в металле появляются электроны с энергией, большей, чем W_F (например, с энергией W₂, см. рис. 8), которым для удаления за пределы металла требуется затратить энергию, меньшую, чем работа выхода . Для таких электронов > _F. Если при Т = 0 мы имеем резкую красную границу, то при Т > 0 красная граница оказывается в большей или меньшей степени (в зависимости от температуры) размытой.

Заметим, что если поместить металл во внешнее электрическое поле, то у такого металла красная граница фотоэффекта оказывается сдвинутой в красную сторону, т. е. в сторону меньших частот. Это объясняется тем, что электрическое поле снижает потенциальный порог на границе металла, как это видно из рис. 7, и, следовательно, работу выхода , а вместе с тем (как это видно из (5)) и красную границу v_кр.

В заключение надо подчеркнуть, что оптика металлов не может быть построена на модели свободных электронов, с которой мы оперировали до сих пор. Можно показать, что свободные электроны, т. е. электроны, наполняющие потенциальный ящик с плоским дном не способны поглощать фотоны. Это, однако, могут делать электроны, находящиеся в периодическом поле. Тем не менее, все наши рассуждения остаются, в силе, поскольку электроны в периодическом поле обладают, подобно свободным электронам, практически сплошным энергетическим спектром, т. е. спектром, состоящим из множества тесно, расположенных, практически сливающихся энергетических уровней.

Эмиттеры свободных электронов в электровакуумных приборах (термокатоды)

1. Параметры термокатодов

Для образования потока свободных электронов в вакуумных или ионных приборах используются специальные электроды — катоды. Исключением в этом смысле являются лишь те электронные приборы, принцип действия которых основан на электронных явлениях, протекающих в твердых телах, например полупроводниковые диоды и триоды, фотосопротивления и др.

В соответствии с различными видами эмиссии катоды разделяются на термоэлектронные катоды, фотоэлектронные (катоды и вторично-электронные катоды. В большинстве электровакуумных и газонаполненных приборов используются термоэлектронные катоды, эмиссия с поверхности которых происходит в результате сообщения им тепловой энергии.

Основным параметром термоэлектронного катода является величина тока эмиссии с одного квадратного сантиметра его поверхности — эмиссионная способность катода, определяемая формулой:

. (1)

Величина , характеризующая эмиссионную способность катода, зависит от его физических свойств (коэффициент ), температуры Т и работы выхода , A₀ - постоянная величина, определяемая равенством:

, (2)

где h - постоянная Планка. Но экспериментальные значения плотности термоэлектронного тока плохо описываются формулой (1). Чтобы описать эти значения, необходимо коэффициент пропорциональности A₀ заменить другим коэффициентом - A₁, величина которого определяется экспериментально для каждого материала отдельно. Отличие экспериментальных коэффициентов A₁ от теоретического A₀ объясняется рядом причин. При выводе формулы (2) величину работы выхода считали не зависящей от температуры. В действительности же при нагревании тела, различающиеся по химическому составу и кристаллической структуре, расширяются по-разному из-за различия в величинах межатомных взаимодействий. При расширении расстояния между атомами увеличиваются (в разных материалах различно), поэтому работа выхода, уменьшающаяся с расширением тел, в разных материалах меняется с температурой различно. В табл. 1 представлены экспериментальные значения коэффициента A₁ для ряда простых материалов. Видно, что эти значения в зависимости от материала могут отличаться друг от друга примерно в 50 раз.

Кроме температуры, работа выхода может сильно зависеть от совершенства кристаллической решетки катода. Если в материале катода присутствует большое количество дефектов структуры, то работа выхода значительно уменьшается, а плотность термоэлектронного тока окажется значительно более высокой, чем значение, получаемое по теоретической формуле (1) с коэффициентом A₁ вместо A₀.

Табл. 1 Экспериментальные значения коэффициента A₁ для ряда

простых материалов

Материал	A1,
Стронций
Цезий
Вольфрам
Торий
Тантал
Платина
Никель
Кремний

Вторым важным параметром является рабочая температура катода Т_раб, определяющая наиболее эффективный тепловой режим катода. Величина Т_раб выбирается из условий энергетического баланса, учитывающего получение тепловой энергии за счет подогрева катода, бомбардировки его электронами и ионами и др., а также расход энергии на излучение, нагрев держателей катода, испарение вещества, эмиссию электронов и т. д. Значения Т_раб для термоэлектронных катодов лежат в пределах 1 000—2 800° К.

Очень важным эксплуатационным параметром является эффективность или экономичность катода, определяющая отношение тока эмиссии к мощности, подводимой к катоду для его подогрева:

. (3)

Здесь и - ток и напряжение накала соответственно. Согласно экспериментальным исследованиям сообщаемая катоду мощность расходуется в основном (около 70%) на излучение, мощность которого определяется законом Стефана-Больцмана:

. (4)

Здесь — коэффициент лучеиспускания, величина которого (обычно <1) зависит от поверхности тела; = 5,67×10^-12 вт/см²×град⁴, (постоянная Стефана-Больцмана); Т — абсолютная температура.

Учитывая, что Рн » Ризл., можно (1) записать в виде

. (5)

Отсюда следует, что экономичность катода увеличивается с возрастанием его температуры.

Существенное значение для оценки эксплуатационных качеств катода имеет срок его службы, или долговечность. Наиболее употребительным критерием оценки долговечности катода является относительное уменьшение его тока эмиссии. Обычно эту величину измеряют некоторым средним для данного типа катода временем, в течение которого ток эмиссии уменьшается до 80% от номинального значения.

Причины выхода катода из строя чрезвычайно разнообразны, и в зависимости от типа катода и условий его эксплуатации те или иные из них могут быть преобладающими или второстепенными. Одна из наиболее важных причин — это распыление активирующего катод вещества. Уменьшение эмиссии катода может произойти также в результате разрушения его бомбардирующими ионами, образования на поверхности окислов и химических .соединений, повышающих работу выхода, и т. д.

По конструктивному признаку все катоды можно разделить на две большие группы: прямого накала и подогревные. В первом случае ток накала I_н протекает непосредственно по катоду, который одновременно является и подогревателем. Катоды прямого накала выполняются обычно в виде тонкой проволоки или ленты, которые изгибают в соответствии с формой других электродов плоской или цилиндрической конструкции. Катоды укрепляются на токоподводящих держателях и растягиваются пружинами, прикрепленными к изоляторам. Типовые конструкции катодов прямого накала показаны на рис. 3,а и б.

В катодах подогревных или, как их часто называют, косвенного накала подогреватель и собственно катод разделены. Конструкция подогревного катода впервые была предложена в 1918 г. А. А. Чернышевым. Нить подогревателя 1 (рис. 3,в), на которую нанесен слой изолирующего теплостойкого материала 2, помещается в металлический цилиндрик 3, внешняя поверхность которого покрывается активирующим слоем 4. Ток накала, протекая по подогревателю, разогревает его, и тепло сообщается собственно катоду. Подогревные катоды чаще всего имеют форму цилиндра, реже параллелепипеда. При цилиндрической конструкции эмитирующей поверхностью может быть как боковая поверхность цилиндра, так и его дно. Различные формы подогревных катодов показаны на рис. 3,г. Подогреватели могут быть V и W-образные для плоских катодов, спиральные — для цилиндрических катодов. Часто для устранения влияния магнитного поля, образуемого током накала, подогреватели выполняются в виде бифилярной спирали.

Рис. 1. Конструкции катодов: а — прямого накала для плоской системы электродов; б - прямого накала для цилиндрической системы; в — устройство подогревного катода; г — конфигурация подогревных катодов; 1 — нить подогревателя; 2 — изолирующее покрытие; 3 — металлический цилиндр; 4 — активирующий слой.

Преимущество подогревных катодов перед катодами прямого накала заключается главным образом в возможности их питания переменным током. Это значительно упрощает схемы источников напряжения накала.

Катоды прямого накала обычно требуют питания постоянным током, так как при использовании переменного тока промышленной частоты 50 гц температура и величина тока эмиссии меняются в такт с удвоенной частотой питающего напряжения, ив нагрузках электронных приборов появляется низкочастотный «фон».

По виду эмитирующей поверхности термоэлектронные катоды можно разделить на однородные металлические, активированные металлические, полупроводниковые и металло-полупроводниковые.