Электронная эмиссия

В кристаллической решетке металла имеются свободные электроны, двигающиеся с различными скоростями. Наиболее быстрые электроны покидают металл и вблизи 16 его поверхности образуют «электронное облако» — пространственный заряд. В связи с этим на очередной электрон, покидающий поверхность металла, действуют сила притяжения к металлу (получившему положительный заряд после того, как его покинула часть электронов) и сила отталкивания от пространственного заряда.

Пространственный заряд электронов у поверхности металла находится в динамическом равновесии: из электронного облака электроны непрерывно возвращаются на поверхность металла, а на их место поступают новые электроны.

Процесс выхода электронов с поверхности металла в окружающую среду называется - электронная эмиссия.

Увеличить электронную эмиссию можно нагревом или облучением металла светом, либо созданием у его поверхности сильных электрических полей, либо бомбардировкой поверхности металла электронами или ионами.

Сила притяжения к металлу, действующая на вылетевший электрон, обратно пропорциональна квадрату расстояния х между электроном и поверхностью металла. Энергия W₀, которой должен обладать электрон для преодоления действия силы притяжения, по мере удаления от поверхности металла сначала возрастает быстро, а затем все медленнее, а симптотически приближаясь к значению W_e при х=∞. Полная энергия, необходимая электрону для выхода из металла,

W_e=W₀+W_i                          (9)

Для того чтобы электрон покинул металл, ему надо сообщить дополнительную энергию величиной не менее W₀. Энергия W₀ называется работой выхода. Она характеризует то минимальное количество энергии, которое нужно сообщить электронам, находящимся на наивысшем энергетическом уровне, чтобы они вышли из металла. Как следует из (9),

W₀= W_e-W_i.

Работу выхода можно определить в электрон-вольтах. В этом случае она обозначается φ₀ и вычисляется по формуле

Эмиссия электронов нагретыми металлами или полупроводниковыми материалами называется термоэлектронной эмиссией. При нагревании металла или полупроводника скорость (а следовательно, и энергия) электронов увеличивается, они совершают работу выхода и покидают поверхность металла. G повышением температуры увеличивается ток электронной эмиссии.

Величина тока электронной эмиссии равна

             (11)

где J — плотность тока электронной эмиссии, или ток в амперах с квадратного сантиметра поверхности нагретого металла; Т — температура металла по абсолютной шкале; А — постоянная для данного металла величина, а/см2·град2; еφ₀ — работа выхода, эв; k — постоянная величина (постоянная Больцмана), равная 8,62·10^-5 эв/град. Постоянная А для вольфрама равна 100, для молибдена, тантала и бария — 60.

Предельная максимальная температура, до которой можно нагревать металл, ограничивается началом процесса интенсивного испарения атомов металла. Величина тока электронной эмиссии сильно зависит от температуры

металла. Так, например, при понижении температуры вольфрама от 2500 до 2000° С ток эмиссии уменьшается о несколько тысяч раз.