Электроны в металле

Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в окружающий их вакуум или газ.

Вылетевшие электроны являются свободными.

Так как в большинстве случаев используется явление электронной эмиссии из металлов, то рассмотрим состояние электронов в металлических проводниках.

В металлах электроны внешних оболочек атомов совершают беспорядочное движение, переходя от одних атомов к другим и образуя «электронный газ». Их принято называть электронами проводимости в отличие от электронов внутренних оболочек атома, которые сильно связаны с ядром и называются связанными.

Атомы вещества, лишенные внешних электронов, могут, быть названы ионами. Они располагаются вполне определенным образом, образуя пространственную (ионную) решетку.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется определенное количество энергии, называемое квантом (или фотоном). Если атом поглощает 1 квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, т.е. определенными порциями.

Распределение электронов по уровням энергии изображают схематически так, как показано на рис.5.1. По вертикали отложена энергия W электрона, а горизонтальными линиями показаны уровни энергии.

В веществах имеются электроны, заполняющие ряд более низких энергетических уровней, составляющих валентную зону.

Электроны этой зоны не участвуют в явлениях электропроводности. В металлах существует также большое количество электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях. Они обеспечивают электропроводность металлов. Эти уровни составляют зону проводимости.

Рис. 5.1. Схема уровней энергии электронов:

а) для твердого проводника; б) диэлектрика

Диаграммы рис.5.2 показывают распределение электронов по величинам энергии. По горизонтали отложена энергия W, а вертикальные отрезки изображают количество электронов N, обладающих данной величиной энергии. Диаграмма рис.5.2, а) дана для температуры абсолютного нуля.

Рис. 5.2. Распределение числа электронов в металле по величинам энергии

Наибольшая энергия, которой обладают электроны данного металла при температуре абсолютного нуля (Т = 0), обозначена через W₀. Она показывает, что число электронов, не имеющих энергии, равно нулю. Чем больше величина энергии, тем больше электронов обладают такой энергией. Больше всего имеется электронов с энергией W₀.

Для более высокой температуры показана диаграмма рис.5.2, б). В этом случае некоторое количество электронов имеет энергию больше W₀ и соответственно уменьшилось число электронов с энергией меньше W₀.

Число электронов с более высокой энергией, чем W₀, убывает по мере возрастания энергии. Чем выше температура, тем больше максимальная энергия W_макс.