Работа — выход — металл
Покрытия золотом относятся к антиэмиссионным вследствие высокой работы выхода металла и его способности связывать активное вещество, напыляемое с катодов, чем обусловлено их широкое использование в про-изводстве оеток многих электронных ламп.
Разность потенциалов (246.1), обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов. Чаще говорят просто о контактной разности потенциалов, подразумевая под ней внешнюю.
При адсорбции на поверхности металла органических молекул работа выхода металла Ф изменяется на величину АФ.
Величина подъема уровней должна бы определяться разностью работ выхода металла и полупроводника. Можно, как и раньше, ввести поверхностный потенциал cps и тогда величина ф8 равнялась бы примерно Wm-Ws. Однако экспериментально показано, что это не так и что величина cps почти не зависит от Wm. Таким образом, значение ф3 определяется в основном поверхностными состояниями и почти не зависит от природы металла. Следовательно, в изолирующем слое на поверхности должно существовать электрическое поле, обусловливающее смещение уровней Ферми в металле и полупроводнике до тех пор, пока они не совпадут.
В табл. 2 — 1 даны величины работ выхода металлов, используемых в электронной технике.
Картина перехода несколько меняется, если разность работ выхода металла и полупроводника велика.
Сдвиг длинноволновой границы происходит за счет увеличения работы выхода металла катода и захвата фотоэлектронов в присутствии электроотрицательного газа.
Как уже было отмечено в разделе V, работа выхода металла, характеризующая энергию, необходимую для удаления из него электрона, и в то же время сродство этого металла к электрону во многих случаях оказывает значительное влияние на величину теплоты хемосорбции. Истинная величина работы выхода различна для разных кристаллографических граней металла. Это положение качественно весьма эффектно демонстрируется эмиссионными изображениями, получаемыми при помощи мюл-леровского электронного проектора. В 1937 г. Мюллер , изучая автоэлектронную эмиссию с вольфрамового монокристаллического острия, наблюдал, что грань 110 обладает наиболее слабой эмиссией электронов.
|
Пояснение физического смысла работы выхода. |
Контакт металл — полупроводник в зависимости от соотношения работ выхода металла и полупроводника, а также в зависимости от типа полупроводника может быть выпрямляющим или омическим.
В этом параграфе рассматриваются лишь потенциальные барье ры, обусловленные разностью работ выхода металла и полупровод ника. Влияние поверхностных состояний будет рассмотрено нами в следующей главе.
Образование запирающего слоя вблизи поверхности полупроводника не всегда связано с разностью работ выхода металла и полупроводника.
Голландские исследователи склоняются больше к тому, что калий уменьшает работу выхода металла ( он образует положительно заряженный слой, см. гл. Известно, что при нагревании до 400 в вакууме или водороде катализатор эмитирует металлический калий, что представляет собой значительную добавку к термоэлектронной эмиссии.
|
Эмиссионные константы пленочных катодов.| Работа выхода металлов, покрытых пленками водорода и кислорода. |
Для практики имеет значение влияние поверхностных пленок водорода и кислорода на работу выхода металлов. Изменение работы выхода не только катода, но и холодных деталей ( сеток, анода) изменяет контактную разность потенциалов и вызывает смещение характеристик. Кислород может попасть на поверхность деталей вакуумного прибора при их обработке и при откачке. Отжиг деталей вакуумных приборов в водороде широко применяется для очистки их от окислов, и при этом неизбежно происходит поглощение водорода.
4.3. Фотоэффект
Свет обладает двойственной природой: в некоторых случаях он ведет себя как волна, в других ― как частица. При фотоэффекте свет ведет себя как частица. «Порции» света (кванты) ― фотоны. Энергия одного фотона прямо пропорциональна его частоте и равна Ev = hv, где
Ev ― энергия фотона, ;
h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 ;
v ― частота света .
Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) ― испускание электронов веществом под действием света.
Свет поглощают электроны, свободно расположенные в металле. Поглотив квант света, электрон увеличивает свою энергию настолько, что может вылететь из металла. Таким образом, фотоны «выбивают» электроны из металла, если их энергия достаточно велика для этого. Электроны, вылетевшие под действием света (фотонов) называются фотоэлектронами. Поскольку ток ― это направленный поток заряженных частиц ― то при облучении металла светом достаточной энергии, создается ток, который называется фототоком.
Металлическая пластинка, подключенная к электрической цепи, и облучаемая светом, называется фотокатодом.
Энергия и скорость вылетающих электронов зависит от частоты падающего света ― т. е энергии фотона, который выбивает электрон. Скорость фотоэлектронов тем выше, чем выше частота фотонов. Аналогично, скорость фотоэлектронов тем меньше, чем меньше частота падающих фотонов.
Энергия и скорость вылетающих электронов от интенсивности света не зависят.
Дело в том, что интенсивность (яркость) света определяет не то, какую энергию имеют фотоны (напомним, что энергия фотонов зависит от их частоты), а то, сколько будет этих фотов в свете. Если свет яркий ― в нём находится много фотонов, если свет не яркий ― не много.
Теоретически фотоэффект объяснил Эйнштейн. Формула Эйнштейна для фотоэффекта связывает энергию падающих фотонов и энергию вылетающих электронов: hv = A + EК, где
h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 ;
v ― частота света ;
A ― работа выхода ;
EК ― кинетическая энергия фотона. .
Работа выхода фотоэффекта ― постоянная величина и зависит только от природы металла и состояния его поверхности. Работа выхода не зависит от частоты или интенсивности света.
Как видно из формулы Эйнштейна, энергия фотона идет на совершение работы выхода и на увеличение кинетической энергии электрона. Так как работа выхода постоянна, то при уменьшении частоты света ― уменьшается кинетическая энергия, а значит, и скорость вылетающих электронов. Если частота света уменьшается до предельной величины ― частоты красной границы фотоэффекта, скорость электронов становится равной нулю и фотоэффект прекращается. Если частота света меньше частоты красной границы фотоэффекта ― то фотоэффект не наблюдается, поскольку энергии фотонов недостаточно для того, чтобы выбить электрон из материала.
Красная граница фотоэффекта ― это частота, при которой прекращается фотоэффект. Ее можно определить из условия $hv_{\text{красная \;граница}} = A$ , где
h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 ;
vкрасная граница ― частота света ;
A ― работа выхода .
График зависимости кинетической энергии вылетающих электронов от частоты падающих фотонов:
Запирающее напряжение ― это напряжение, не позволяющее электронам покинуть фотокатод. Если напряжение в цепи больше или равно запирающему напряжению, то электроны не могут достигнуть анода: даже если они покидают ненадолго фотокатод, сила электрического поля возвращает их в металл ― и фототока в цепи нет.
Запирающее напряжение определяется выражением eUзап = Eкинетическая, где
e ― заряд электрона равный 1,6 ∙ 10-19 ;
Uзап ― запирающее напряжение ;
Eкинетическая ― кинетическая энергия фотоэлектрона .
Когда напряжение в цепи равно нулю U = 0, а фотокатод облучается светом достаточной энергии, чтоб создавать фотоэффект, ― в сети есть ток, его вызывают выбиваемые светом электроны.
Когда напряжение в цепи равно запирающему напряжению U = Uз ― сила тока становится равной нулю, т. к. фототок прекращается.
Как видно из формулы, запирающее напряжение зависит только от кинетической энергии электронов, которая, в свою очередь, зависит от частоты света (но не интенсивности) и работы выхода.
Прочитано
Отметь, если полностью прочитал текст
Элементы квантовой физики
|
Вещество |
Работа выхода электрона |
Вещество |
Работа выхода электрона |
||
|
10-19 |
эВ |
10-19 |
эВ |
||
| Барий | 3,8 | 2,4 | Платина | 8,5 | 5,3 |
| Барий на вольфраме | 1,8 | 1,1 | Рубидий | 3,5 | 2,2 |
| Вольфрам | 7,2 | 4,5 | Серебро | 6,9 | 4,3 |
| Германий | 7,7 | 4,8 | Торий | 5,4 | 3,4 |
| Золото | 6,9 | 4,3 | Торий на вольфраме | 4,2 | 2,6 |
| Калций | 4,5 | 2,8 | Цезий | 2,9 | 1,8 |
| Молибден | 6,9 | 4,3 | Цезий на вольфраме | 2,2 | 1,4 |
| Никель | 7,2 | 4,5 | Цезий на платине | 2,1 | 1,3 |
| Оксид бария | 1,6 | 1,0 | |||
| Оксид меди (I) | 8,3 | 5,2 |
| Барий | 484 | Рубидий | 573 |
| Вольфрам | 272 | Серебро | 260 |
| Калий | 550 | Сурьма | 310 |
| Литий | 500 | Сурьмяно-цезиевый катод | 670 |
| Медь | 270 | Цезий | 620 |
| Ртуть | 260 | Цинк | 290 |
|
Длина волны, нм |
Частота, ТГц |
Цвет лучей |
Энергия одного кванта |
|
|
10-18Дж |
эВ |
|||
| 760 | 395 | Темно-красный | 0,26 | 1,6 |
| 620 | 483 | Красный | 0,32 | 2,0 |
| 590 | 508 | Оранжевый | 0,34 | 2,1 |
| 560 | 536 | Желтый | 0,36 | 2,2 |
| 500 | 600 | Зеленый | 0,40 | 2,5 |
| 480 | 625 | Голубой | 0,41 | 2,6 |
| 450 | 666 | Синий | 0,44 | 2,7 |
| 380 | 789 | Фиолетовый | 0,52 | 3,3 |
| Показатели | Излучение | ||
| ренгетовское | ультрафиолетовое | инфракрасное | |
| Диапазон длин волн, занимаемых излучением, нм | от 0,001 до 10 | от 3 до 380 | от 760 до 2х106 |
| Значения энергий, которыми обладают фотоны в указанном диапазоне длин волн, Дж (эВ) | от 2х10-13 (1,25х106) до 2х10-17(1,2х102) | от 6,6х10-17(4,1х102) до 5,3х10-19(3,3) | от 2,6х10-20(1,6) до 10-22(6,0х10-4) |
|
Вид излучения |
Частота, ТГц |
Масса фотона |
|
|
кг |
в массах электрона |
||
| Граница инфракрасного и видимого излучения | 400 | 2,9х10-36 | 3,2х10-6 |
| Видимая часть спектра (лучи зеленого цвета) | 600 | 4,4х10-36 | 4,7х10-6 |
| Граница видимого и ультрафиолетового излучения | 790 | 5,6х10-36 | 6,3х10-6 |
| Ультрафиолетовое излучение | 105 | 7,3х10-34 | 8,0х10-4 |
| Рентгеновское излучение | 3х106 | 2,2х10-31 | 0,24 |
| Гамма-излучение | 3х108 | 2,2х10-30 | 2,4 |
| Виды излучения | Частота, ТГц | Импульс, кг м/с |
| Граница инфракрасного и видимого излучения | 400 | 8,7х10-28 |
| Видимая часть спектра (лучи зеленого цвета) | 600 | 1,3х10-27 |
| Граница видимого и ультрафиолетового излучения | 790 | 1,7х10-27 |
| Ультрафиолетовое излучение | 105 | 2,2х10-25 |
| Ренгеновское излучение | 3х106 | 6,6х10-23 |
| Гамма-излучение | 3х108 | 6,6х10-21 |
|
Атом |
Масса атомов |
Атом |
Масса атомов |
||
|
10-27 кг |
а.е.м.* |
10-27 кг |
а.е.м.* |
||
| Азот | 23,2 | 14,0067 | Олово | 197 | 118,69 |
| Алюминий | 44,8 | 26,9815 | Платина | 324 | 195,09 |
| Водород | 1,67 | 1,0079 | Ртуть | 333 | 200,59 |
| Вольфрам | 305 | 183,85 | Свинец | 334 | 207,2 |
| Гелий | 6,64 | 4,0026 | Сера | 53,2 | 32,06 |
| Железо | 92,8 | 55,847 | Серебро | 179 | 107,868 |
| Золото | 327 | 196,9665 | Углерод | 19,9 | 12,011 |
| Калий | 64,9 | 39,098 | Уран | 395 | 238,029 |
| Кальций | 66,5 | 40,08 | Фосфор | 51,4 | 30,97376 |
| Кислород | 26,6 | 15,9994 | Хлор | 58,9 | 35,453 |
| Медь | 105 | 63,546 | Цинк | 109 | 65,38 |
| Натрий | 38,1 | 22,98977 |
* Атомная единица массы(а.е.м.) является единицей атомных масс химических элементов. 1 а.е.м. равна 1/12 массы изотопа углерода-12.
Характерные размеры атомов
| Линейные размеры атома*, см (нм) | ≈10-8 (≈0,1) |
| Радиус простейшего атома — водорода**, см (нм) | 5,3х10-9 (0,053) |
| Радиус атома гелия, см (нм) | 1,05х10-8 (0,105) |
| Радиус атома урана, см (нм) | 1,5х10-8 (0,15) |
| Число атомов, которые можно «уложить» вплотную друг к другу на отрезке в 1мм | ≈10 000 000 |
| Объем занимаемый атомом, см3 | порядка 10-24 |
| Число атомов железа, содержащихся в булачной головке | примерно 1019 |
| Линейные размеры ядра атома, см | порядка 10-13 -10-12 |
| Отношение радиуса атома к радиусу ядра атомa (в среднем) | ≈100 000 |
| Радиус ядра гелия, см (фм) | 2х10-13 — 3х10-13 (2-3) |
| Радиус ядра урана, см (фм) | 8,5х10-13 (8,5) |
| Объем ядра, см3 | 10-39 — 1036 |
| Число атомных ядер, которые можно «уложить» вплотную друг к другу на отрезке 1 мм | ≈1 000 000 000 000 |
| Расстояние между атомами в твердом теле, см (нм) | порядка 10-8 (0,1) |
*Линейные размеры атома определяется линейными размерами его электронной оболочки. **Радиус атома водорода равен радиусу траектории движения электрона в атоме, т.е. радиусу первой электронной орбиты в атоме водорода.
Явление естественной радиоактивности
В состав радиоактивного излучения входят α-лучи (поток алфа-частиц-атомных ядер гелия), β-лучи (поток электронов и позитронов) и γ-лучи (поток фотонов высокой частоты — порядка 108TГц.
| α-лучи | β-лучи | γ-лучи | |
| Скорость частиц, вылетающих из ядер радиоактивных веществ, км/с | 14 000-20 000 | 160 000* | 300 000 |
| Энергия частиц, МэВ | 4 — 9 | От сотых долей до 1-2 | 0,2-3 |
| Масса одной вылетающей частицы, кг | 6,6 х 10-27 | 9 х 10-31 | ≈2,2 х 10-30 |
| Пробег (путь, проходимый частицей в веществе до остановки)в воздухев алюминии
в биологической ткани |
3 — 9 см До 0,06 мм
До 0,1 мм |
До 40 мДо 2 см
До 6 см |
Пронизывают тело человека |
* Указана средня скорость, так как β-излучение содержит потоки заряженных частиц со всевозможными скоростями — от скорости, близкой к нулю, до скорости, близкой к скорости света.
Определение «Работа Выхода» по БСЭ:
Работа выхода — энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твёрдого тела или жидкости в вакуум. Переход электрона из вакуума в конденсированную среду сопровождается выделением энергии, равной Р. в. Следовательно, Р. в. является мерой связи электрона с конденсированной средой. чем меньше Р. в., тем легче происходит эмиссия электронов. Поэтому, например, плотность тока термоэлектронной эмиссии или автоэлектронной эмиссии (см. Туннельная эмиссия) экспоненциально зависит от Р. в.Р. в. наиболее полно изучена для проводников, особенно для металлов. Она зависит от кристаллографической структуры поверхности. Чем плотнее «упакована» грань кристалла, тем выше Р. в. &phi.. Например, для чистого вольфрама&phi. = 4,3 эв для граней {116} и 5,35 эв для граней {110}. Для металлов возрастание (усреднённых по граням) &phi. приблизительно соответствует возрастанию потенциала ионизации. Наименьшие Р. в. (2 эв) свойственны щелочным металлам (Cs, Rb, К), а наибольшие (5,5 эв) — металлам группы Pt.Р. в. чувствительна к дефектам структуры поверхности. Наличие на плотноупакованной грани собственных неупорядоченно расположенных атомов уменьшает &phi.. Ещё более резко &phi. зависит от поверхностных примесей: электроотрицательные примеси (кислород, галогены, металлы с &phi., большей, чем &phi. подложки)обычно повышают &phi., а электроположительные — понижают. Для большинства электроположительных примесей (Cs на W, Tn на W, Ba на W) наблюдается снижение Р. в., которая достигает при некоторой оптимальной концентрации примесей noпт минимального значения, более низкого, чем&phi. основного металла. при n &asymp. 2noпт Р. в. становится близкой к &phi. металла покрытия и далее не изменяется (см. рис.). Величине noпт соответствует упорядоченный, согласованный со структурой подложки слой атомов примеси, как правило, с заполнением всех вакантных мест. а величине 2noпт — плотный моноатомный слой (согласование со структурой подложки нарушено). Т. о., Р. в. по крайней мере для материалов с металлической электропроводностью определяется свойствами их поверхности.Электронная теория металлов рассматривает Р. в. как работу, необходимую для удаления электрона с Ферми уровня в вакуум. Современная теория не позволяет пока точно вычислить &phi. для заданных структур и поверхностей. Основные сведения о значениях&phi. даёт эксперимент. Для определения &phi. используют эмиссионные или контактные явления (см. Контактная разность потенциалов).Знание Р. в. существенно при конструировании электровакуумных приборов, где используется эмиссия электронов или ионов, а также в таких, например, устройствах, как термоэлектронные преобразователи энергии.Лит.: Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966. Зандберг Э. Я., Ионов Н. И., Поверхностная ионизация, М., 1969.В. Н. Шредник.Зависимость работы выхода &phi. от поверхностной концентрации n электроположительных примесных атомов.
