В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы, а между ними свободно движутся электроны. Они как бы плавают по всему объему проводника, так как силы притяжения к положительным ионам решетки, действующие на свободные электроны, находящиеся внутри металла, в среднем взаимно уравновешиваются. Действие сил притяжения со стороны положительных ионов на электроны мешает последним выйти за пределы поверхности металла.
Лишь наиболее быстрые электроны могут преодолеть это притяжение и вылететь из металла. Однако совсем покинуть металл электрон не может, так как притягивается положительным поверхностным ионом и тем зарядом, который возник в металле в связи с потерей электрона. Равнодействующая этих сил притяжения не равна нулю, а направлена внутрь металла перпендикулярно его поверхности (рис. 1).
Через некоторое время электрон под действием этих сил может возвратиться в металл. Среди электронов, находящихся вблизи поверхности металла, найдется большое число таких, которые временно будут покидать металл, а затем возвращаться обратно. Этот процесс напоминает испарение жидкости. В конце концов устанавливается динамическое равновесие между покидающими и возвращающимися электронами. Таким образом, на границе металла с вакуумом возникает двойной слой электрических зарядов, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Электрическое поле этого слоя можно считать однородным (рис. 2). Разность потенциалов в этом слое называется контактной разностью потенциалов между металлом и вакуумом.
Этот двойной электрический слой не создает поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу электронов из металла.
Как показывают расчеты и специально поставленные опыты, толщина этого слоя мала и равна примерно 10 -10 м.
Таким образом, чтобы покинуть металл и уйти в окружающую среду, электрон должен совершить работу A в против сил притяжения со стороны положительного заряда металла и против сил отталкивания от отрицательно заряженного электронного облака. Она приблизительно равна A в = e, где e - заряд электрона. Для этого электрон должен обладать достаточной кинетической энергией.
Минимальную работу A в, которую должен совершить электрон за счет своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла и не вернуться в него, называют работой выхода .
Работа выхода зависит только от рода металла и его чистоты. Работу выхода принято измерять в электронвольтах (эВ).
Для чистых металлов A в составляет несколько электронвольт. Так, например, для цезия ее значение равно 1,81 эВ, для платины 6,27 эВ.
Выход свободных электронов из металла называется эмиссией электронов . При нормальных внешних условиях электронная эмиссия выражена слабо, так как средняя кинетическая энергия хаотического теплового движения большинства свободных электронов в металлах гораздо меньше работы выхода. Для повышения интенсивности эмиссии следует увеличить кинетическую энергию свободных электронов до значений, равных или больших значения работы выхода. Этого можно достигнуть различными способами. Во-первых, созданием электрического поля очень большой напряженности (E ~ 10 6 В/см), способного вырвать электроны из металла, - холодная эмиссия . Такая эмиссия используется в электронных микропроекторах. Во-вторых, бомбардировкой металла электронами, предварительно разогнанными электрическим полем до очень большой скорости, - вторичная электронная эмиссия . В-третьих, интенсивным освещением поверхности металла - фотоэмиссия . На явлении фотоэмиссии основан внешний фотоэффект и устройство вакуумного фотоэлемента. В-четвертых, нагревание металла - термоэлектронная эмиссия . Электроны, испускаемые нагретым телом, называются термоэлектронами , а само это тело - эмиттером .
Пробега первичных электронов может превышать толщину эмиттера. В этом случае вторичная электронная эмиссия наблюдается как с бомбардируемой поверхности (вторичная электронная эмиссия на отражение), так и с противоположной стороны эмиттера (вторичная электронная эмиссия на прострел). Поток вторичных электронов состоит из упруго и неупруго отражённых первичных электронов и истинно вторичных электронов - электронов эмиттера, получивших в результате их возбуждения первичными или отражёнными неупруго электронами энергию и импульс, достаточные для выхода из эмиттера. Энергетич. спектр вторичных электронов лежит в диапазоне энергий от Е = 0 до энергии первичных электронов Еп (рис. 1). Тонкая структура энергетических спектра обусловлена оже-эффектом и характеристическими потерями энергии на возбуждение атомов эмиттера.
Рис. 1. Энергетический спектр вторичных электронов: (I) упруго отражённых, (II) неупруго отражённых, (III) истинно вторичных; тонкая структура спектров, обусловленная (а) оже-электронами и (б) характеристическими потерями энергии на возбуждение атомов эмиттера (Е - энергия электронов; Е макс и ΔЕ макс - максимальная энергия и полуширина максимума спектра истинно вторичных электронов; Е п - энергия первичных электронов).
Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется коэффициентом σ, равным:
σ = I 2 /I 1 =δ + η + r,
где I 1 и I 2 - токи, создаваемые первичными и вторичными электронами; δ - коэффициент истинной вторичной электронной эмиссия; η, r - коэффициенты соответственно неупругого и упругого отражения первичных электронов. Указанные коэффициенты зависят от параметров пучка первичных электронов (Е п, угла падения φ пучка на образец) и характеристик эмиттера (элементного состава, электронного строения, кристаллической структуры, состояния поверхности и др.).
Механизмы упругого отражения электронов различны в областях малых (0-100 эВ), средних (0,1-1 кэВ) и больших (1-100 кэВ) энергий Е п. В области малых Е п упругое отражение зависит от электронного строения приповерхностной области эмиттера, рассеяния электронов на отдельных атомах, резонансного упругого рассеяния электронов вблизи порогов коллективных и одночастичных возбуждений электронов твёрдого тела. Абсолютные значения коэффициента r в этой области максимальны (при E п ≤10 эВ r может достигать величины 0,5 для металлов и 0,7-0,8 для диэлектриков). В области средних Е п в большинстве случаев на зависимости r(Е п) наблюдается широкий максимум при значениях Ε п = Ζ 2 /8 (Ζ - атомный номер вещества эмиттера). Механизм упругого отражения в этом диапазоне Е п в значительной мере определяется упругим рассеянием электронов на атомах твёрдого тела; абсолютные значения r не превышают 0,05. Для монокристаллов зависимость r(Е п) в области средних Е п имеет ярко выраженную тонкую структуру, обусловленную дифракцией электронов на кристаллической решётке эмиттера. В диапазоне больших значений Е п r уменьшается с ростом Е п. Глубина выхода упруго отражённых электронов зависит от Е п и изменяется от долей до десятков нм.
Неупругое отражение электронов определяется рассеянием и торможением первичных электронов при их движении в веществе эмиттера. Зависимость η(Е п) различна для лёгких и тяжёлых веществ (рис. 2). Коэффициент η увеличивается с ростом φ; наиболее ярко эта закономерность выражена для веществ с малыми Ζ. Средняя энергия неупруго отражённых электронов Е н = 0,31 Е п и падает с уменьшением Е п, а их средняя глубина выхода не превышает половины глубины проникновения первичных электронов при данном значении Е п.
Эмиссия истинно вторичных электронов зависит от электронного строения эмиттера, существенно влияющего на потери энергии электронов и их выход из эмиттера. Вероятность выхода возбужденных истинно вторичных электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности эмиттера, определяемого величиной работы выхода электронов. В металлах вследствие взаимодействия с электронами проводимости истинно вторичные электроны теряют много энергии и не могут преодолеть потенциальный барьер на поверхности. Для них характерна небольшая глубина выхода d истинно вторичных электронов и сравнительно малые значения коэффициента σ макс (0,4-1,8). В диэлектриках с широкой запрещённой зоной и малым сродством к электрону внутренние истинно вторичные электроны несут малые потери энергии, так как теряют её в основном только на взаимодействие с фотонами. Эти вещества имеют большие значения d (20-120 нм) и коэффициент σ макс (4-40). Наибольшие значения d (20-1500 нм) и σ макс ≥1000 имеют эмиттеры с отрицательным сродством к электрону. Создание сильного электрического поля (10 7 -10 8 В/м) в диэлектриках вызывает увеличение σ макс до 100 (вторичная электронная эмиссия, усиленная полем).
Вторичная электронная эмиссия широко используется в методах диагностики поверхности твёрдых тел. Сканирующая электронная микроскопия, используя различные группы вторичных электронов для визуализации исследуемого объекта, позволяет исследовать топографию, фазовый состав, кристаллическую структуру и другие свойства поверхности. Оже-электроны несут информацию об элементном составе, химическом состоянии поверхностных атомов.
Спектры электронов с характеристическими потерями энергии (в диапазоне единицы - сотни мэВ) дают информацию о фононных колебаниях в твёрдых телах, характеризуют колебательные моды адсорбированных атомов и молекул. Электроны с большими потерями энергии (обусловленными межзонными переходами, возбуждением плазменных колебаний в твёрдых телах и ионизацией атомов вещества эмиттера) используются для получения информации об элементном составе и электронном строении приповерхностной области эмиттеров.
Вторичная электронная эмиссия применяется для усиления электронных потоков в электронно-вакуумных приборах (вторичные и фотоэлектронные умножители, усилители яркости изображения и т.п.). Вторичная электронная эмиссия играет важную роль в работе ряда высокочастотных приборов.
Лит.: Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М., 1969; Шульман А.Р., Фридрихов С. А. Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела. М., 1977.
ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Чтобы электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.
Поддерживать эмиссию можно при выполнении двух условий. Первое – подвод к электронам энергии, обеспечивающей преодоление потенциального барьера, либо создание такого сильного внешнего поля, что потенциальный барьер делается тонким и становится существенен туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия), квантовое проникновение электронов сквозь потенциальный барьер, т.е. эмиссия электронов, имеющих энергию меньше работы выхода. Передача энергии бомбардирующими тело фотонами приводит к фотоэмиссии, бомбардировка электронами вызывает вторичную электронную эмиссию, ионами – ион-электронную эмиссию. Эмиссия может быть вызвана внутренними полями – эмиссия горячих электронов. Все эти механизмы могут действовать и одновременно (например – термоавтоэмиссия, фотоавтоэмиссия).
Второе условие – создание внешнего электрического поля, обеспечивающего увод от тела испускаемых электронов, для этого, в частности, нужно к эмиттеру подвести электроны, чтобы он не заряжался. Если внешнее поле, обеспечивающее увод эмитированных электронов, недостаточно для автоэлектронной эмиссии, но достаточно для понижения потенциального барьера, становится заметен эффект Шоттки – зависимость эмиссии от внешнего поля. В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней есть «пятна» с различной работой выхода, над ее поверхностью возникает электрическое «поле пятен». Это поле тормозит электроны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внешнее электрическое поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие пятен. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растет при увеличении поля быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный эффект Шоттки).
Термоэлектронная эмиссия . В середине 19 в. было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух становится проводником электричества, однако причина этого явления оставалась неясной. В результате проведенных опытов Ю.Эльстер и Г.Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскаленная добела поверхность металла приобретает положительный заряд. Протекание тока в вакууме между накаленным электродом и положительно заряженным электродом было открыто Т.Эдисоном (1884), объяснено испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц) Дж.Томсоном (1887), теорию термоэлектронной эмиссии разработал О.Ричардсон (1902, иногда ему приписывается открытие и самого эффекта). Односторонняя проводимость была обнаружена Дж.Флемингом (1904, иногда это приписывается Эдисону), хотя его диод был не вполне вакуумным, а с частичной компенсацией пространственного заряда. Ток термоэлектронной эмиссии определяется температурой катода, (т.е. энергией электронов) и работой выхода. Максимальный ток эмиссии определяется отношением работы выхода к температуре, он называется током насыщения. Температура катода ограничивается, в свою очередь, испарением материала катода (т.е. сроком службы).
Фотоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов), при этом количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения. Для каждого вещества существует порог – минимальная частота (максимальная длина волны) излучения, ниже которой эмиссия не возникает, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности. Фотоэмиссия чувствительна к работе выхода поверхности. Увеличения квантового выхода и сдвига порога фотоэмиссии достигают покрытием поверхности металла моноатомным слоем электроположительных атомов Cs (цезия) или Rb (рубидия), снижающих работу выхода для большинства металлов до 1,4–1,7 эв. Фотоэмиссия была открыта Густавом Герцем (1887), обнаружившим, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает пробой. Систематические исследования провели В.Гальвакс, А.Риги, А.Г.Столетов (1885) и показали, что в опыте Герца дело сводится к освобождению зарядов под действием света. То, что это именно электроны, lоказали Ф.Ленард и Дж.Томсон (1898).
Фотоэмиссия из полупроводников и диэлектриков определяется сильным поглощением электромагнитного излучения.
Автоэлектронная эмиссия (полевая эмиссия, электростатическая эмиссия, туннельная эмиссия) – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности, ее открыл Р.Вуд (1897) при исследовании вакуумного разряда. Автоэлектронная эмиссия объясняется туннельным эффектом и происходит без затрат энергии на возбуждение электронов, необходимых для электронной эмиссии иных видов. При автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения (как при термоэлектронной эмиссии), а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и суженный электрическим полем.
Автоэмиссия существенно зависит от поля и работы выхода и слабо зависит от температуры. Отбор тока при низких температуpax приводит к нагреванию эмиттера, т.к. уходящие электроны уносят энергию, в среднем меньшую, чем энергия Ферми, с возрастанием температуры нагрев сменяется охлаждением – эффект меняет знак, проходя через «температуру инверсии», соответствующую симметричному относительно уровня Ферми распределению вышедших электронов по полным энергиям. Особенности автоэлектронной эмиссии из полупроводников связаны с проникновением электрического поля в эмиттер, меньшей концентрацией электронов и наличием поверхностных состояний. Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены джоулевым разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 10 7 А/см 2 (на поверхности эмиттера) в стационарном и 10 9 А/см 2 в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается. В импульсном режиме при попытке увеличить ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом «режиме взрывной эмиссии».
Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума: диффузии, миграции, перестройки поверхности, сорбции остаточных газов. Чаще всего применяемый материал – вольфрам – хорошо сорбирует газы. Это вызвало многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, однако, большое сопротивление. Предлагалось покрывать металл пленкой углерода. Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом, для стабильной работы современных автокатодов требуется вакуум, на один-три порядка более высокий, чем тот, который нужен для термокатодов.
Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия – напряженность электрического поля на эмиттере, которая, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, «острые» формы – выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы – пучки нитей, пакеты лезвий, углеродные нанотрубки и т.п. Для отбора относительно больших токов используют многоострийные системы, многоэмиттерные системы на краях пленок и фольг и т.п. То, что в качестве эмиттеров используются острия, имеет следствием непараллельность траекторий электронов, причем компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмитирующего электрода, может быть сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, веерным, а если катод многоострийный или многолезвийный, то не ламинарным.
Вторичная электронная эмиссия (открытая Л.Остин и Г.Штарке, 1902) – испускание электронов поверхностью твердого тела при ее бомбардировке электронами. Электроны, бомбардирующие тело (называемые первичными), частично отражаются телом без потери энергии (упруго отраженные электроны), остальные – с потерями энергии (неупругое отражение). Если энергия и импульс получивших энергию электронов оказываются достаточными для преодоления потенциального барьера на поверхности тела, то электроны покидают поверхность тела (вторичные электроны). В тонких пленках вторичная электронная эмиссия наблюдается не только с той поверхности, которая подвергается бомбардировке (эмиссия на отражение), но и с противоположной поверхности (эмиссия на прострел). Количественно вторичная электронная эмиссия характеризуется «коэффициентом вторичной эмиссии» (КВЭ) – отношением тока вторичных электронов к току первичных, коэффициентом упругого и неупругого отражения электронов, а также коэффициентом эмиссии вторичных электронов (отношения токов соответствующих электронов к току первичных). Все коэффициенты зависят как от энергии первичных электронов, так и от угла их падения, химического состава и рельефа поверхности образца. В металлах, где плотность электронов проводимости велика, вероятность того, что образовавшиеся вторичные электроны могут выйти наружу, мала. В диэлектриках с малой концентрацией электронов вероятность выхода вторичных электронов больше. Вероятность выхода электронов зависит от высоты потенциального барьера на поверхности.
В результате у ряда неметаллических веществ (окислы щелочноземельных металлов, щелочногалоидные соединения) КВЭ > 1, у специально изготовленных эффективных эмиттеров (см. ниже ) КВЭ >> 1, у металлов и полупроводников обычно КВЭ < 2. С увеличением энергии первичных электронов КВЭ сначала возрастает с ростом количества возбужденных электронов, а потом начинает убывать, поскольку существенная часть их рождается на большей глубине и число электронов, выходящих наружу, уменьшается. Аналогично объясняется зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов. Монокристаллы анизотропны по отношению к движению электронов, рассеяние, ионизация и дифракция зависят от направления движения, поэтому для них зависимость КВЭ от угла падения первичных электронов становится сложной.
Создание в диэлектрике сильного электрического поля (10 5 –10 6 в/см) приводит к увеличению КВЭ до 50–100 (вторичная эмиссия, усиленная полем). В этой ситуации КВЭ начинает зависеть от пористости слоя – наличие пор увеличивает эффективную поверхность эмиттера, а поле вытягивает из них вторичные электроны, которые, ударяясь о стенки пор, могут вызвать, в свою очередь, эмиссию с КВЭ > 1 и возникновение электронных лавин. Это может приводить к самоподдерживающейся холодной эмиссии, продолжающейся (при подводе заряда к эмиттеру) и после прекращения бомбардировки электронами.
Основными областями применения вторично-электронных катодов являются вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители, ЭВП М-типа (в которых электроны двигаются во взаимно-перпендикулярных электрическом и магнитном полях) и приемно-усилительные лампы со вторичной эмиссией. Для всех применений наиболее существенными вторично-эмиссионными параметрами являются: коэффициент вторичной эмиссии КВЭ в области малых энергий первичных электронов, обычно характеризуемый энергией, при которой КВЭ = 1, максимальной величиной КВЭ и энергией первичных электронов, когда КВЭ достигает максимума.
Ион-электронная эмиссия – испускание электронов под действием ионов. Известны два механизма ион-электронной эмиссии: потенциальный – вырывание электронов из тела полем подлетающего иона и кинетический – выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона. Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени, и для пар Ne+/W (неон/вольфрам), He+/W (гелий/вольфрам), Ar+/W (аргон/вольфрам) составляет, например, 0,24, 0,24 и 0,1 соответственно, и слабо зависит от энергии ионов. Для Мо (молибденовой) мишени и тех же ионов эти коэффициенты примерно на 10% больше.
При бомбардировке многозарядными ионами ион-электронная эмиссия возрастает – для 2-х, 3-х, 4-х зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. Потенциальная ион-электронная эмиссия сильно зависит от состояния поверхности, поскольку она определяется работой выхода. Это влечет относительно большой разброс экспериментальных данных.
Кинетической ионно-электронной эмиссии практически нет при энергиях менее 1 кэВ, потом возрастает линейно, потом медленнее, проходит через максимум и убывает, к энергиям в единицы МэВ коэффициент падает примерно до единицы. Ион-электронная эмиссия играет существенную роль в работе ряда электронных газоразрядных приборов, в которых источником электронов является катод, бомбардируемый ионами. В некоторых случаях процесс ионно-электронной эмиссии создает основное количество электронов в объеме прибора.
Эмиссия горячих электронов – это эмиссия за счет «нагрева» электронов, т.е. передачи электронам энергии или воздействии электрическим полем. Если термоэлектронная эмиссия определяется величиной потенциального барьера на выходе из твердого тела и энергией преодолевающих его электронов и для ее получения твердое тело нагревают (простейший способ нагреть электроны), то можно попытаться нагреть электроны и не прибегая к нагреву тела. Поскольку электроны – заряженные частицы, то наиболее простой способ их «нагрева» – воздействие на них электрическим полем. Создание катода с эмиссией горячих электронов – это, прежде всего, создание в проводнике или полупроводнике большого электрического поля. Для этого проводник и полупроводник надо «испортить», уменьшив их проводимость, т.к. иначе через них в этом большом поле пойдет большой ток и катод выйдет из строя.
Один из способов «испортить» металл – это разделить его на отдельные частички. Если зазоры между ними будут невелики, порядка 10 ммк, электроны будут туннелировать (преодолевать потенциальный барьер, сниженный и суженный большим полем) из одной частички в другую, и так будет осуществляться проводимость. Но ток по сравнению с током через монолитный металл сильно уменьшится, т.е. возрастет сопротивление. Это дает возможность увеличить поле. Тогда энергия электронов увеличится настолько, что они окажутся способными эмиттироваться в вакуум. Катоды с эмиссией горячих электронов выполняются в виде диэлектрической подложки, на которую напылена тонкая пленка металла или полупроводника. При малых толщинах пленки обычно получаются «островковые», т.е. состоящие из отдельных маленьких частичек, разделенных зазорами. Для облегчения выхода электронов катод часто покрывают тонкими (примерно моноатомными) пленками веществ, понижающих работу выхода Cs (цезия), BaO. В качестве вещества основной пленки обычно используют Au (золото), SnO 2 , BaO. Лучшие полученные параметры таковы – токоотбор 1 А/см 2 в течение длительного времени и 10 А/см 2 – кратковременно. При этом эффективность (отношение тока эмиссии к току, протекающему через пленку) может приближаться к 100%.
Леонид Ашкинази
Под вакуумом понимают газ или воздух, находящийся в состоянии найвысщего разрежения (давление порядка ). Вакуум является непроводящей средой, так как в нем содержится ничтожное количество электрически нейтральных частиц вещества.
Для получения в вакууме электрического тока необходим источник заряженных частиц - электронов, причем движение электронов в вакууме происходит практически без столкновений с частицами газа.
Источником электронов служит обычно металлйческий электрод - катод. При этом используется явление выхода электронов с поверхности катода в окружающую среду, называемое электронной эмиссией.
Свободные электроны в металле при отсутствии внешнего электрического поля беспорядочно перемещаются между ионами кристаллической решетки.
Рис. 13-6. Двойной электрический слой на поверхности металла.
При комнатной температуре выхода электронов из металла не наблюдается вследствие недостаточной величины их кинетической энергии. Часть электронов, обладающих наибольшей кинетической энергией, при своем движении выходит за поверхность металла, образуя электронный слой, который вместе с расположенным под ним в металле слоем положительных ионов кристаллической решетки образует двойной электрический слой (рис. 13-6). Электрическое поле этого двойного слоя противодействует электронам, стремящимся выйти из проводника, т. е. является для них тормозящим.
Для выхода электрона за пределы поверхности металла электрону необходимо, сообщить энергию, равную работе, которую он должен совершить по преодолению тормозящего действия поля двойного слоя. Эта работа называется работой выхода Отношение энергии выхода к заряду электрона называется потенциалом выхода, т. е. .
Работа (потенциал) выхода зависит от химической природы металла.
Значения потенциала выхода для некоторых металлов даны в табл. 13-1.
Таблица 13-1
В зависимости от того, каким способом сообщается электронам дополнительная энергия, необходимая для выхода из металла, различают виды эмиссии: термоэлектронную, электростатическую, фотоэлектронную, вторичную и под ударами тяжелых частиц.
Термоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов из катода, обусловленное исключительно нагревом катода. При нагревании металла скорости движения электронов и Их кинетическая энергия увеличиваются и число электронов, покидающих металл, возрастает. Все электроны, вылезающие из катода в единицу времени, если Они удаляются от катода внешним полем, образуют электрический ток эмиссии . При повышении температуры катода ток эмиссии растет сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. На рис. 13-7 даны кривые плотности тока эмиссии, т. е. тока эмиссии, отнесенного к единице поверхности катода, выраженной в А/см2, в зависимости от температуры Т для различных катодов.
Рис. 13-7. Кривые плотности тока эмиссии в зависимости от температуры для различных катодов: а - оксидный; б - вольфрамовый, покрытый торием; в - вольфрамовый без покрытия.
Зависимость плотности эмиссионного тока от температуры и работы выхода выражается уравнением Ричардсона-Дэшмана:
где А - постоянная эмиссии; для металлов она равна ; Т - абсолютная температура катода, К; - основание натуральных логарифмов; - работа выхода, эВ; - постоянная Больцмана.
Таким образом, плотность тока эмиссии увеличивается пропорционально и так что для получения большого тока эмиссии необходим катод из материала с малой работой выхода и высокой рабочей температурой.
Если электроны, вылетевшие из катода (эмиттированные электроны), не удаляются от него внешним ускоряющим полем, то они скапливаются вокруг катода, образуя объемный отрицательный заряд (электронное облако), который создает вблизи катода тормозящее электрическое поле, препятствующее дальнейшему вылету электронов из катода.
Электростатической электронной эмиссией называется явление выхода электронов из поверхности катода, обусловленное исключительно наличием у поверхности катода сильного электрического поля.
Сила, действующая на электрон, находящийся в электрическом поле, пропорциональна заряду электрона и напряженности поля F - её. При достаточно большой напряженности ускоряющего поля силы, действующие на электрон, находящиеся у поверхности катода, становятся достаточно большими для преодоления потенциального барьера и вырывания электронов из холодного катода.
Электростатическая эмиссия находит применение в ртутных вентилях и некоторых других приборах.
Фотоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов, обусловленное исключительно действием излучения, поглощаемого катодом, и не связанное с его нагреванием. При этом электроны катода получают дополнительную энергию от частиц света - фотонов.
Лучистая энергия испускается и поглощается определенными порциями - квантами. Если энергия кванта, определяемая произведением постоянной Планка частоты излучения v, т. е. , больше работы выхода для материала данного катода то электрон может покинуть катод., т. е. будет иметь место фотоэлектронная эмиссия.
Фотоэлектронная эмиссия применяется в фотоэлементах.
Вторичной электронной эмиссией называется явление выхода вторичных электронов, обусловленное исключительно ударами первичных электронов о поверхность тела (проводника, полупроводника). Летящие электроны, называемые первичными, встречая на пути проводник, ударяются о него, проникают в его поверхностный слой и отдают часть своей энергии электронам проводника. Если дополнительная энергия, получаемая электронами при ударе, будет больше работы выхода, то эти электроны могут выйти за пределы проводника.
Вторичная электронная эмиссия используется, например, в фотоэлектронных умножителях для усиления тока.
Вторичная эмиссия может наблюдаться в электронных лампах, в которых анод подвергается воздействию электронов, летящих от катода. В этом случае вторичные электроны могут создать поток, встречный «рабочему», ухудшающий работу лампы.
Электронной эмиссией под ударами тяжелых частиц называется явление выхода электронов, обусловленное исключительно ударами ионов или возбужденных атомов (молекул) о поверхность тела - электрода. Этот вид эмиссии аналогичен рассмотренной выше вторичной электронной эмиссии.
Для того чтобы электрон мог преодолеть силы, притягивающие его к ионной решетке металла, т. е. пройти через потенциальный барьер в поверхностном слое и удалиться из металла, необходимо затратить некоторую энергию. Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон внутри металла, недостаточна для этого. Поэтому для преодоления потенциального барьера к электрону необходимо приложить внешние силы или же каким-нибудь образом
сообщить ему дополнительное количество энергии. Работа, которая должна быть совершена на освобождение электрона из металла, называется работой выхода и является одной из важных характеристик металла; она связана с электрическим полем в поверхностном слое металла:
где интегрирование (вдоль любой траектории) должно производиться от какой-нибудь точки, взятой внутри металла, до точек, расположенных достаточно далеко от его поверхности. Для чистой поверхности вольфрама эта работа равна 4,5 эВ. У других (чистых) металлов она колеблется в пределах 1,8-5,3 эВ. Если поверхностный слой металла содержит какие-нибудь примеси, то работа выхода уменьшается; например, покрытие поверхности вольфрама тонким слоем цезия уменьшает работу выхода до 1,36 эВ.
В равновесном состоянии металла некоторое количество электронов, участвующих в беспорядочном тепловом движении, ежесекундно выходит за пределы поверхности металла, но затем, под действием указанных выше сил, вновь втягиваются внутрь металла. Эти электроны образуют вблизи поверхности металла так называемое электронное облако, толщина и плотность которого (число электронов в единице объема) увеличиваются с повышением температуры.
Эмиссию («испарение») электронов с поверхности металла можно получить следующими способами:
1) нагреть металл до очень высокой температуры и тем увеличить число электронов, приобретающих при тепловом движении большие скорости. Такие электроны, обладая большой кинетической энергией, могут преодолеть силы, препятствующие их освобождению из металла (термоэлектронная эмиссия);
2) воспользоваться сильным электрическим полем, которое «подхватывало» бы электроны из поверхности металла. Такая эмиссия электронов называется холодной, или автоэлектронной; она может быть вызвана и при низких температурах;
3) произвести облучение поверхности металла световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и другими лучами, энергия которых поглощается электронами. Электроны, вылетающие из металла, затрачивают часть полученной энергии на работу выхода, а остальную часть сохраняют в виде кинетической энергии. Такой способ эмиссии электронов называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэлектронная эмиссия);
4) произвести бомбардировку поверхности металла электронами, ионами или другими частицами. Если эта бомбардировка производится электронами, то эмиссия обусловлена тем, что число вылетающих электронов больше, чем число бомбардирующих электронов (для чистых поверхностей - в 1,2 - 1,8 раза, а для поверхностей, содержащих примеси и покрытых тонким слоем окислов, - в десятки раз); такой способ вырывания называется вторичной электронной эмиссией.