A. Część teoretyczna.

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. Jednocześnie metal jako całość jest elektrycznie obojętny, tzn. jego całkowity ładunek elektryczny jest równy zero. 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 praca wyjścia elektronów z tych materiałów jest definiowana jako różnica pomiędzy poziomem energii Fermiego w danym materiale a poziomem zerowym energii. Poziomem Fermiego nazywamy najwyższy poziom energetyczny obsadzony przez elektrony w danym materiale w temperaturze zera stopni Kelwina.

Emisja termoelektryczna.

Wyrwanie elektronów z metalu może nastąpić w wyniku różnych zjawisk: efektu fotoelektrycznego zewnętrznego, emisji polowej lub emisji termoelektronowej. Emisja termoelektronowa, czyli emisja elektronów przez rozgrzane ciała, następuje dzięki fluktuacjom energii cząsteczek gazu elektronowego o wysokiej temperaturze. Pewna ilość elektronów z metalu, a tym samym elektrony te mogą i opuszczają powierzchnię metalu. Natężenie prądu elektrycznego płynącego w wyniku emisji termoelektrycznej określa równanie Richardsona

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

W pomiarach natężenia prądu termoemisji elektrony wylatujące z 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 i anody. Układ taki, zamknięty w bańce szklanej, nosi nazwę diody lampowej.

Gdy do anody przyłożony jest ten sam potencjał co do katody ( U=0 ), to przez diodę płynie niewielki prąd.

I_A

U_H U

Przyłożenie do anody niewielkiego ujemnego napięcia U_h (zwanego napięciem hamowania) takiego, iż

e U_h =
m v²

gdzie e - ładunek elektronu;

m - masa ładunku;

v - prędkość elektronu wylatującego z metalu;

pozwala całkowicie powstrzymać dopływ elektronów z rozgrzanego metalu do anody. Energia kinetyczna elektronów nie pozwala im na wykonanie pracy przeciwko siłom pola elektrycznego. Gdy do anody przyłożony jest wysoki, dodatni potencjał, to wszystkie elektrony wylatujące z katody wychwytywane są przez pole elektryczne anody. Natężenie prądu płynącego przez diodę osiąga maksymalną wartość opisaną równaniem Richardsona. Mówimy wówczas o tzw. Prądzie nasycenia.

---