Выход электронов из металла

При нормальной температуре энергии электронов недостаточно для выхода их из тела. Чтобы получить электронную эмиссию, надо сообщить электронам добавочную энергию.

Отсутствие эмиссии при нормальной температуре объясняется двумя причинами.

Первая состоит в том, что электроны, имеющие наибольшую энергию (W₀ и более), при своем беспорядочном движении подходят к поверхности металла, но их притягивают обратно положительные ионы пространственной решетки. На поверхности образуется «электронная пленка» (рис.5.3, а). Конечно, она не является «застывшей», а находится в динамическом равновесии. Новые электроны приходят в эту «пленку», а ранее попавшие в нее уходят обратно в глубь металла.

Между электронной пленкой и положительными ионами существует электрическое поле, которое тормозит электроны, стремящиеся выйти из тела (рис.5.3, б). Говорят, что на поверхности металла получается двойной электрический слой (слой электронов над слоем ионов). Чтобы пройти этот слой, электрон должен иметь энергию больше W₀.

Рис.5.3. Электронная пленка (а) и электрическое поле двойного электрического слоя (б)

Вторая причина, препятствующая выходу электронов, заключается в том, что металл, лишенный части электронов, заряжается положительно. Между ним и вылетевшими электронами возникает электрическое поле, под действием которого электроны притягиваются обратно к металлу. Сила этого притяжения быстро убывает при удалении электрона от поверхности металла. Ее можно считать равной нулю, когда электрон удалится от поверхности металла на несколько междуатомных расстояний.

Таким образом, чтобы вылететь в вакуум и не быть связанным с металлом, электрон должен иметь сверх энергии W₀ еще энергию, необходимую для преодоления силы обратного притяжения к металлу.

Энергия, которую нужно сообщить для выхода из металла электрону дополнительно к максимальной энергии W₀, имеющейся при температуре абсолютного нуля, называется эффективной работой выхода или просто работой выхода (W_вых).

Полная работа, совершаемая электроном при выходе из металла, равна W₀ + W_вых. Ее иногда называют полной работой выхода, а величины W₀ и W_вых соответственно внутренней и внешней работой выхода.

Работа по перемещению электрического заряда, отнесенная к величине заряда, равна разности потенциалов, которую проходит заряд. Если работу W₀ + W_вых разделить на заряд электрона е, то получится некоторая разность потенциалов.

Так как электрон при выходе из металла расходует энергию, то потенциал в вакууме отрицателен относительно металла. Приняв потенциал металла за нулевой, можно написать, что потенциал φ в вакууме вблизи поверхности металла равен:

(5.1)

где φ₀— потенциал на границе электронной пленки и вакуума;

φ_вых — потенциал, соответствующий работе выхода.

На рис.5.4,а показан график изменения потенциала при переходе из металла в вакуум. По вертикали отложен отрицательный потенциал φ, по горизонтали — расстояние х. На границе металла и вакуума получается «скачок» потенциала или «потенциальный барьер» для электронов. В электронной пленке потенциал повышается в отрицательную сторону на φ₀ и далее в вакууме он растет еще дополнительно на φ_вых. Полная «высота» барьера составляет φ₀ + φ_вых. Для преодоления барьера электрон должен иметь энергию не менее W₀ + W_выхэлектрон-вольт или «скорость» не менее φ₀ + φ_вых вольт.

Рис.5.4. Потенциальный барьер на границе металла и вакуума (а)

и его механическая аналогия (б)

Наглядная механическая модель выхода электронов изображена на рис.5.4, б. Потенциальный барьер заменен горкой, переходящей в плоскогорье, а электроны — шариками, находящимися у подножия. Чтобы шарики могли вкатиться на горку, они должны иметь определенную кинетическую энергию, зависящую от высоты h. Если энергии недостаточно, то шарики скатываются обратно. По аналогии с движением электронов в вакууме считают, что шарики катятся без трения. Для удобного перехода к такой механической аналогии отрицательный потенциал на рис.5.4 отложен вверх.

Работа выхода различна для разных металлов и составляет несколько электрон-вольт. Чем она больше, тем труднее получить электронную эмиссию. У металлов, имеющих большие междуатомные расстояния, работа выхода меньше. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, например цезий, барий, кальций.

Исследование явления электронной эмиссии показало, что примеси других веществ на поверхности металла оказывают значительное влияние на работу выхода.

Если на поверхности основного металла расположены атомы веществ, отдающие электроны данному металлу, то наблюдается увеличение эмиссии. Такие вещества называют активирующими. Их влияние объясняется тем, что атомы, отдавшие часть электронов основному металлу, превращаются в положительные ионы и образуют на поверхности металла двойной электрический слой (рис.5.5).

Рис.5.5. Электрическое поле между металлом и положительными

ионами активирующего вещества

Электрическое поле этого слоя является ускоряющим для электронов, стремящихся выйти из металла, и работа выхода уменьшается. Наименьшая работа выхода получается, когда положительные ионы примеси располагаются одноатомным слоем.

Поле между пленкой активирующего вещества и основным металлом аналогично полю в конденсаторе с обкладками в виде металлических сеток (решеток). В конденсаторе поле существует только между обкладками, и если через отверстие отрицательно заряженной обкладки в это поле попадет электрон, то он с увеличенной скоростью вылетит через отверстие положительно заряженной обкладки.

Атомы некоторых веществ при соприкосновении с металлом отбирают у него электроны и превращаются в отрицательные ионы. Слой таких атомов на поверхности металла препятствует электронной эмиссии. Между этими атомами и основным металлом возникает поле, тормозящие эмитируемые электроны, и работа выхода возрастает.

Например, атомы кислорода на поверхности вольфрама увеличивают аботу выхода до 9,2 ЭВ. Говорят, что металл понижает эмиссионную способность вследствие «отравления» кислородом. При устройстве катодов обычно создают на поверхности основного металла активирующие слои, уменьшающие работу выхода, и принимают меры к тому, чтобы поверхность катода не «отравлялась» атомами кислорода.

Можно также уменьшить работу выхода путем покрытия поверхностей металлов слоями окислов щелочных и щелочноземельных металлов, называемых оксидами. Тогда, работа выхода получается еще меньше, чем в случае одноатомных пленок.