fiz (24)

27. WYZNACZANIE PRACY WYJŚCIA ELEKTRONÓW Z METALI W BADANIACH EMISJI TERMOELEKTRONOWEJ

Praca wyjścia elektronów z metalu

Cechą charakterystyczną odróżniającą metale i półprzewodniki

od izolatorów jest występowanie w tych pierwszych swobodnych

nośników ładunku elektrycznego, co w konsekwencji prowadzi do

*

zdolności metali do przewodzenia prądu elektrycznego. Nośnikami ładunku w metalach są elektrony. Ze względu na ich bardzo dużą liczbę w jednostce objętości oraz niewielkie rozmiary niekiedy używane jest pojęcie tzw. gazu elektronowego. Podobnie jak cząsteczki w gazie rzeczywistym₍ tak i elektrony w gazie elektronowym posiadają pewne prędkości, a więc i energie zależne od temperatury. Jednocześnie metal jako całość jest elektrycznie obojętny, tzn. jego całkowity ładunek elektryczny jest równy zero. Dzieje się tak, ponieważ ładunek swobodnych elektronów w metalu jest kompensowany dodatnim ładunkiem jonów tworzących sieć krystaliczną (lub polikrystaliczną). Istnienie w metalu dodatnich jonów powoduje, że elektrony należące do gazu elektronowego nie mogą swobodnie opuścić objętości metalu. Aby wyrwać elektron z pola sił oddziaływania elektrycznego dodatnich jonów_; trzeba wykonać pewną pracę, zwaną pracą wyjścia elektronów z danego materiału. Jest to stała charakterystyczna dla danej substancji, a zwłaszcza stanu jej powierzchni. Jej wartość jest rzędu kilku elektronowoltów.

W teorii pasmowej energii elektronów w metalach i półprzewodnikach (patrz rozdział 23) praca wyjścia elektronów z tych materiałów jest definiowana jako różnica pomiędzy poziomem energii Fermiego w danym materiale a poziomem zerowym energii (tzw. poziomem próżni). Poziomem Fermiego nazywamy najwyższy poziom energetyczny obsadzony przez elektrony w danym materiale w temperaturze zera stopni Kelwina. Inne sformułowanie definicji energii Fermiego jest podane w rozdziale 39.

Emisja termoelektryczna

Wyrwanie elektronów z metalu może nastąpić w wyniku różnych zjawisk:    efektu fotoelektrycznego zewnętrznego (patrz rozdział

28), emisji polowej (pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego o dużym natężeniu) lub emisji termoelektronowej. Emisja    termoelektronowa,    czyli emisji elektronów przez

rozgrzane ciała, następuje dzięki fluktuacjom energii cząsteczek gazu elektronowego o wysokiej temperaturze. Pewna ilość elektronów posiada energię większą od wartości pracy wyjścia elektronów z metalu, a tym samym elektrony te mogą i opuszczają powierzchnię metalu. Natężenie prądu elektrycznego płynącego w wyniku emisji termoelektrycznej określa równanie Sichardsona

I = B T² exp(- W/k_aT) ,    (24.1)

gdzie B oznacza stałą materiałową, T - temperaturę metalu, W -pracę wyjścia elektronów z metalu, k - stałą Boltzmanna.

W pomiarach natężenia prądu termoemisji elektrony wylatujące ¹ metalu są zbierane przez odpowiednią elektrodę, do której przykładamy potencjał dodatni w stosunku do badanego materiału. Tym samym mamy do czynienia z układem złożonym z katody (z której elektrony wylatują) i anody (do której elektrony dolatują). Układ taki, zamknięty w bańce szklanej, nosi nazwę diody lampowej i miał bardzo duże znaczenie w elektronice (obecnie diody lampowe zastępowane są w większości przypadków przez