Эмиссионные явления и их применение

Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего наблюдается явление испускания электронов, или электронной эмиссии. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссии.

1. Термоэлектронная эмиссия – это испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растёт и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование зависимостей термоэлектронной зависимости можно привести с помощью простейшей двухэлектродной лампы – вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий 2 электрода: катод K и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла, накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, как это показано на рисунке 1, то при накаливании катода и подачи на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи возникает ток. Если поменять полярность батареи Б_а, то ток прекращается, как бы сильно катод не накаливали. Следовательно катод испускает отрицательные частицы – электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения - вольт-амперную характеристику (рис 2.), то оказывается, что она не является линейной, т. е. для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Зависимость термоэлектронного т ока от анодного описывается законом трёх вторых:

,

где - коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также от их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения , называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряжённости поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщенияхарактеризует эмиссионную способностьматериала катода. Плотность тока определяется формулой Ричардсона – Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики:

,

где - работа выхода электронов из катода, - термодинамическая температура, - постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов.

На рисунке 2 представлены ВАХ для двух температур катода: и , причём . С повышением температуры катода испускание электронов с катода интенсивнее, при этом увеличивается и ток насыщения. При наблюдается анодный ток, т. е. некоторые электроны, эмитируемые катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достиженияанода без приложения электрического поля.