Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г . знаменитым американским изобретателем Эдисоном.

Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами - анодом, имеющим положительный потенциал, и
катодом с отрицательным потенциалом.

Катодом лампы может служить нить из
тугоплавкого металла (вольфрам, молибден
тантал и др.), нагреваемая электрическим
током.

Такая лампа называется вакуумным диодом .

Диод состоит из стеклянного или металлического

корпуса из которого откачан воздух. В баллон впаяны

два электрода - катод и анод. В диоде с катодом

косвенного накала имеется миниатюрная "печка",

которая служит для разогрева катода Обычно катод устроен

в виде цилиндра внутри которого расположен подогреватель, анод же представляет собой цилиндр, который расположен вокруг катода. Если подать в анод лампы положительный потенциал относительно катод
то электрическое поле между анодом и катодом будет способствовать движению электронов от катода к аноду .

Если катод холодный, то ток в цепи катод - анод
практически отсутствует.

При повышении температуры катода в цепи

катод - анод появляется электрический ток, который тем
больше, чем выше температура катода.

При постоянной температуре катода ток в цепи

катод -анод возрастает с повышением разности

потенциалов U между катодом и анодом и выходит

к некоторому стационарному значению,

называемому током насыщения / н .

При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом,
достигают анода. Величина тока анода не пропорциональна U , и поэтому
для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум называется термоэлектронной эмиссией.

Термоэлектронная эмиссия - электроны приобретают кинетическую энергию при нагревании металла. Нагретый металл до 1000 - 1500°С будет окружён "облаком" электронов. Значительное число электронов будет иметь кинетическую энергию, превышающую работу выхода, и эти электроны могут вылетать из металла.

Вакуумные диоды применяются для выпрямления переменного электрического тока

Природа тока в жидкостях. Закон электролиза. Электролиты.

Проводниками электрического тока являются не только металлы и полупроводники. Электрический ток проводят растворы многих веществ в воде. Как показывает опыт, чистая вода не проводит электрический ток, то есть в ней нет свободных носителей электрических зарядов. Не проводят электрический ток и кристаллы поваренной соли, хлорида натрия. Однако раствор хлорида натрия является хорошим проводником электрического тока. Растворы солей, кислот и оснований, способные проводить электрический ток, называются электролитами

Прохождение электрического тока через электролит обязательно сопровождается выделением вещества в твёрдом или газообразном состоянии
на поверхности электродов. Выделение вещества на электродах показывает,
что в электролитах электрические заряды переносят заряженные атомы
вещества - ионы. Этот процесс называется электролизом.

Закон электролиза

Майкл Фарадей на основе экспериментов с различными электролитами установил, что при электролизе масса m выделившегося на электроде вещества пропорциональна прошедшему через электролит заряду ∆ q или силе тока I и времени ∆ t прохождения тока:

m = k ∆ q = kI ∆ t .

Это уравнение называется законом электролиза. Коэффициент k , зависящий от выделившегося вещества, называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Проводимость электролитов

Проводимость жидких электролитов объясняется тем, что при растворении
в воде нейтральные молекулы солей, кислот и оснований распадаются на
отрицательные и положительные ионы. В электрическом поле ионы приходят в
движение и создают электрический ток.

Агрегатное состояние электролитов

Существуют не только жидкие, но и твёрдые электролиты. Примером твёрдого
электролита может служить стекло. В составе стекла имеются положительные и отрицательные ионы. В твёрдом состоянии стекло не проводит электрический ток, так как ионы не могут двигаться в твёрдом теле.
При нагревании стекла, ионы получают возможность перемещаться под действием электрического поля, и стекло становится проводником.

Применение электролиза

Явление электролиза применяется на практике для получения многих
металлов из раствора солей. С помощью электролиза для защиты от
окисления или для украшения производится покрытие различных
предметов и деталей машин тонкими слоями таких металлов, как хром,
никель, серебро, золото.

Эмиссия электронов и ионов – это выход заряженных частиц, происходящий на границе твердого тела с вакуумом или газом при воздействии на эмиттер теплового нагрева, светового излучения, электронной или ионной бомбардировки, постоянного или высокочастотного электрического поля и т.д.

Явление испускания в вакуум электронов нагретым телом называется термоэлектронной эмиссией .

Установлено, что при Т = 0 не может быть эмиссии электронов из кристалла, поскольку энергии даже самых быстрых электронов недостаточны для преодоления потенциального барьера на его границе.

При нагревании твердого тела возрастают амплитуды колебаний атомов кристаллической решетки. С повышением температуры все большее число электронов (рис.2.10) приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе твердого тела с вакуумом.

Если в каждом кубическом метре металла содержится dn u , u , u свободных электронов с компонентами скоростей от u х до u х + du х, от u y до u y + +du y и от u z до u z + du z , (где u х – компонента скорости в направлении, перпендикулярном поверхности тела), то поток таких электронов, приходящий к поверхности равен

За пределы поверхности кристалла в вакуум могут выйти только электроны, у которых компонента скорости в направлении х достаточна для преодоления потенциального барьера, т.е.

Для определения числа электронов, покидающих в единицу времени 1 м 2 поверхности металла при данной температуре, надо в формулу подставить функцию распределения электронов по скорости в металле и проинтегрировать полученное выражение.

Согласно квантомеханической теории, не все электроны выходят в вакуум, есть вероятность отражения их от потенциального барьера. Поэтому вводится понятие прозрачности барьера D.

Уравнение Ричардсона-Дешмана определяет плотность тока термоэмиссии:

где является универсальной постоянной и не зависит от рода эмиттера.

Энергия Ферми определяется соотношением Видно, что не зависит в первом приближении от температуры и поэтому можно заменить эффективной работой выхода , тогда

где – работа выхода, выраженная в джоулях.

Уравнение Ричардсона-Дешмана показывает, что плотность тока термоэлектронной эмиссии с поверхности металла зависит от температуры и эффективной работы выхода материала.

Уравнение определения плотности тока термоэмиссии применимо не только к металлическим, но и к полупроводниковым катодам любого типа. Специфика состоит, однако, в том что, если у металлов положение уровня Ферми можно было в первом приближении считать не зависящим от температуры и рассматривать j эфф. как постоянную данного материала, то у примесных полупроводников положение уровня Ферми зависит от температуры. Температурный коэффициент работы выхода (a ) был определен для металлов êa½ ~ 10 –5 . и полупроводников a ~ 10 –4 . Учитывая, что на коэффициент влияет большое количество факторов и нет точного определения его, что вносит незначительную часть при определении плотности тока термоэмиссии, мы будем использовать формулу Ричардсона-Дешмана для всех типов термокатодов.

§ 50. Термоэлектронная эмиссия. Формула Ричардсона - Дёшмена

Большое число применений имеет ток в высоком вакууме, когда носителями тока являются электроны, испускаемые катодом. Эмиссия (испускание) электронов из металла, как уже указывалось в § 45, может вызываться различными причинами. В вакуум-трубках при возникновении тлеющего разряда и при образовании катодных лучей электроны вышибаются из поверхностного слоя металла ударами положительных ионов. При глубоком вакууме, когда давление разреженного газа составляет миллионные доли миллиметра ртутного столба, число ионов, бомбардирующих катод, становится недо статочным для поддержания заметной эмиссии электронов, вырываемых из катода, и образования ощутимых катодных лучей не наблюдается. Но и при таком глубоком вакууме эмиссия электронов оказывается значительной, если катод накален (термоэлектронная эмиссия) или если на катод направлены достаточно интенсивные лучи света (фотоэлектронная эмиссия). Эмиссия электронов может быть также вызвана бомбардировкой поверхности некоторых тел потоком электронов (вторичная электронная эмиссия).

Кроме того, эмиссия электронов, как это уже указывалось в §45, может быть вызвана интенсивным электрическим полем (автоэлектронная, или холодная, эмиссия). Напряженность поля, способного вырывать электроны из металла, имеет порядок величины в несколько миллионов вольт на 1 см. Однако некоторая автоэлектронная эмиссия наблюдается и при относительно небольших напряженностях поля (эмиссия эффекта просачивания, или туннельного эффекта, § 45).

В различных электронных приборах применяются все виды эмиссии, но чаще всего используется наиболее удобно управляемая термоэлектронная эмиссия.

Выбрасывание электронов накаленным катодом происходит вследствие увеличения энергии движения полусвободных

электронов металла за счет притока тепла. При повышении температуры металла электроны незаполненной зоны (§ 35), переходя на высшие энергетические уровни, приобретают энергию, достаточную для преодоления работы выхода (§ 33).

Приложенное к электродам трубки напряжение не оказывает влияния на число электронов, выбрасываемых ежесекундно из вещества катода; при наличии электрического поя вырвавшиеся из вещества катода электроны движутся от катода под действием электрического поля; если же поля нет, они падают обратно, но на их место вылетают другие, и в пространстве над поверхностью накаленного металла образуется своеобразное электронное облако.

Образование электронного облака над поверхностью накаленного металла представляет собой явление, аналогичное испарению жидкости. Чем выше температура металла, тем большее количество электронов покидает поверхность накаленного металла. Каждый электрон, покидая металл, должен преодолеть притяжение со стороны положительных ионов металла. Поэтому из «электронного газа», содержащегося внутри металла, вырываются наружу только те электроны, кинетическая энергия которых превосходит «работу выхода».

Электронное облако представляет собой отрицательный заряд, расположенный в пространстве близ поверхности накаленного металла. В отличие от обычного поверхностного заряда электронное облако называют пространственным зарядом.

С повышением температуры поток электронов, выбрасываемых накаленным металлом, растет сперва медленно, а потом все быстрее и быстрее. Ричардсон вывел теоретически формулу, выражающую зависимость интенсивности испускания электронов от температуры испускающего тела. Если накаленный металл представляет собой катод вакуумной трубки, к которой приложено такое напряжение, что все испускаемые металлом электроны увлекаются электрическим полем, то интенсивность испускания электронов будет измеряться величиной тока эмиссии, приходящегося на каждый квадратный сантиметр накаленной поверхности металла. Указанную величину называют также плотностью тока эмиссии при токе насыщения. (Если к электродам приложено слишком малое напряжение, то не все испускаемые металлом электроны увлекаются полем, и плотность тока будет меньше, чем при токе насыщения, т. е. меньше, чем

Для пояснения формулы Ричардсона представим себе, что в накаленном металле у поверхности его имеется полуоткрытая полость (рис. 185). При статистическом равновесии концентрация

электронов в этой полости согласно -положению Больцмана (т. I, § 98) будет равна

где концентрация свободных (или, вернее, полусвободных) электронов в металле, А - работа выхода электрона из металла, равная разности потенциальных энергий электрона в металле и вне металла: постоянная Больцмана и абсолютная температура.

Число электронов, ежесекундно вылетающих из отверстия рассмотренной полости, отнесенное к площади отверстия, т. е. плотность тока термоэлектронной эмиссии, является величиной, пропорциональной произведению средней скорости теплового движения электронов в полости (а средняя скорость пропорциональна на концентрацию электронов в полости. Стало быть,

Это и есть формула Ричардсона.

Здесь абсолютная температура, основание натуральных логарифмов постоянные величины, имеющие различные значения для различных металлов.

Так как константа А стоит в показателе степени, то ее величина оказывает гораздо большее влияние на величину плотности тока эмиссии чем коэффициент чем меньше константа тем больше (при прочих равных условиях, т. е. при заданных плотность тока эмиссии.

По смыслу вывода формулы Ричардсона коэффициент В пропорционален числу электронов в единице объема электронного газа внутри металла. Эмиссионная константа А представляет собой работу выхода электрона.

Опыты показали, что ток эмиссии возрастает с повышением температуры несколько быстрее, чем следует по закону Ричардсона (1). При выводе формулы эмиссии Ричардсон исходил из представления, что скорости движения электронов в металле распределены по закону Максвелла. Однако в действительности (как было пояснено в § 30) электронный газ в металле уже при нормальных температурах находится в вырожденном состоянии и подчиняется статистике Ферми.

Основываясь на квантовой теории, Дёшмен (1923 г.) показал, что формула Ричардсона должна быть заменена следующей формулой:

В этой формуле константа В теоретически должна была бы быть одинаковой для всех металлов и равной

(здесь масса и заряд электрона, - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка). Для некоторых чистых металлов эта константа действительно близка к указанному значению, но для других металлов она имеет величину, в некоторых случаях примерно в два раза меньшую в иных случаях - во много раз большую.

Константа А в законе Ричардсона - Дёшмена имеет тот же смысл и ту же величину, что в законе Ричардсона (1), а именно, А представляет собой работу выхода электрона из металла. Теоретически разность работы выхода электрона из двух каких-либо металлов должна быть равной контактной разности потенциалов этих металлов в вакууме, что в общем подтверждается на опыте в тех случаях, когда константы В для этих металлов одинаковы.

Эмиссионные константы

(см. скан)

Если приводимые выше численные значения константы А умножить на авогадрово число, то получившиеся числа будут означать как бы скрытую теплоту испарения «грамм-атома электронов».

На рис. 186 показано, как возрастает с повышением температуры плотность тока эмиссии для вольфрама. При повышении температуры вольфрама от 2000 до 2100°, т. е. всего на 5%, плотность тока эмиссии увеличивается почти вчетверо.

Повышение температуры вольфрама от 2000 до 3000° приводит к увеличению плотности тока термоэлектронной эмиссии в миллионы раз.

Некоторые примеси оказывают чрезвычайно сильное влияние на величину электронной эмиссии. Это влияние примесей было подробно изучено многими учеными и в особенности Ленгмюром (1913-1923 гг.). Вольфрам, покрытый тончайшей пленкой тория, дает испускание электронов, которое при температурах порядка 1000-1500° К в миллионы и миллиарды раз превышает испускание чистого вольфрама. Такое же и еще большее увеличение эмиссии вызывается пленкой цезия, бария и окисей некоторых металлов. Ток эмиссии в на поверхности накаленного чистого вольфрама получается при температуре примерно 2300° при накаливании «оксидированного» вольфрама та же плотность тока эмиссии получается при температуре примерно 1300° К. Подвергнутый специальной обработке торированный и оксидированный вольфрам имеет широчайшее применение в приборах, основанных на явлении электронной эмиссии.

Рис. 186. График закона Ричардсона для вольфрама.

В целях сопоставления накаливаемые катоды характеризуют отношением полного тока эмиссии к мощности, расходуемой на накал катода. Вольфрамовые проволоки при температуре накала К дают ток эмиссии в на каждый ватт мощности тока накала. (Повышение температуры накала вольфрамовых нитей свыше 2600° чрезмерно сокращает срок их службы.) Катоды оксидированного вольфрама дают при нормальной для них температуре накала около 1000° К ток в почти такую же эмиссию дают катоды из торированного вольфрама при нормальной для них температуре накала 1850° К. Однако при высоких напряжениях между анодом и катодом оксидированные и торированные катоды быстрее разрушаются от бомбардировки катода положительными ионами остатков газа.

Для использования термоэлектронной эмиссии применяют катоды двух типов: прямого накала, накаляемые непосредственно током от аккумулятора или переменным током низкого напряжения от трансформатора, и косвенного накала (подогревные). В катодах косвенного накала (рис. 187) проволока, накаляемая током, помещена

внутри узкого керамического цилиндра и служит только для нагрева этого цилиндра; термоэлектронная эмиссия осуществляется внешней металлизированной поверхностью цилиндра (цилиндрик катода поверх слоя металла покрыт тонким слоем окиси кальция с прибавкой редких земель).

Термоэлектронная эмиссия получила наиболее широкую область применения в электронных лампах, которые имеют разнообразное радиотехническое назначение и различное устройство, но вместе с тем имеют одну общую черту. А именно, в электронных лампах в отличие от других термоэлектронных приборов так размещают электроды, чтобы создаваемое ими поле, налагаясь на поле пространственного заряда (облака электронов у поверхности накаленного катода), позволяло бы при небольших изменениях напряжения, подводимого к вспомогательным электродам, получать резкие и возможно большие изменения величины термоэлектронного тока, проходящего через лампу. С этой целью аноды и дополнительные сетчатые электроды электронных ламп устраивают обычно в виде коаксиальных цилиндров строго рассчитанных размеров и помещают накаливаемый катод по оси цилиндра. Действие электронных ламп разобрано в §§ 52 и 53.

Об одном из важных применений термоэлектронной эмиссии - об «электронной пушке», служащей для получения электронного луча в катодных осциллографах, - рассказано в § 68. В электронной пушке электроны, испускаемые накаленным катодом, получают значительное ускорение в электрическом поле между катодом и кольцевыми анодами. Этот метод ускорения электронного потока применяется во многих электронных приборах и, в частности, в высоковольтных (на миллионы вольт) электронных трубках, предназначенных для атомно-ядерных исследований.

Рис. 187. Катоды косвенного накала (подогревные).

Устройство этих трубок и других мощных ускорительных приборов атомно-ядерной физики, в которых также используется термоэлектронный ток (бетатронов), и методы расчета ускорительных и фокусирующих полей пояснены в разделах физики атома и электронной оптики в третьем томе курса.

Уже отмечалось, при переходе границы раздела между проводником и вакуумом скачком изменяются напряженность и индукция электрического поля. С этим связаны специфические явления. Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом (рис. 6.1).

Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границе раздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов (). Скачки потенциала на границе металла показаны на рисунке 6.2.

В занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма, так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. За пределами металла электрон приобретает энергию W 0 . Это энергия притяжения Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть потенциальный барьер и совершить работу

(6.1.1)

Эту работу называют работой выхода электрона из металла . Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию

Термоэлектронная эмиссия

Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела. Если энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, то процесс выхода электронов из металла называют термоэлектронной эмиссией .

В классической термодинамике металл представляют в виде ионной решетки, заключающей в себе электронный газ. Считают, что сообщество свободных электронов подчиняется законам идеального газа. Следовательно, в соответствии с распределением Максвелла при температуре, отличной от 0 К, в металле есть какое-то количество электронов, тепловая энергия которых больше работы выхода. Эти электроны и покидают металл. Если температуру увеличить, то увеличивается и число таких электронов.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую средуназываетсятермоэлектронной эмиссией . Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электрона было достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности (рис.6.1). Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум. Этими двумя и, возможно, другими причинами определяется величина работы выхода электрона из металла.

Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. Эдисоном, знаменитым американским изобретателем. Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом. Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током (рис. 6.3). Такая лампа называется вакуумным диодом. Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует. При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода. При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения I н. При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода . Величина тока анода не пропорциональна U , и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется.

На рисунке 6.3 показаны схема вакуумного диода и вольт-амперные характеристики (ВАХ) I a (U a ). Здесь U з – задерживающее напряжение при котором I = 0.

Холодная и взрывная эмиссия

Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной эмиссией или автоэлектронной . Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие

(6.1.2)

здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред. Обычно у чистых металлов и При получим На практике же холодная эмиссия наблюдается при значении напряженности порядка Такое несовпадение относят на счет несостоятельности классических представлений для описания процессов на микроуровне.

Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумной трубке, катодом которой служит острие, а анодом – обычный электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью. Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусом кривизны r и потенциалом U относительно анода равна

При и , что приведет к появлению слабого тока, обусловленного автоэлектронной эмиссией с поверхности катода. Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U . При этом катод специально не разогревается, поэтому эмиссия и называется холодной.

С помощью автоэлектронной эмиссии принципиально возможно получение плотности тока но для этого нужны эмиттеры в виде совокупности большого числа острий, идентичных по форме (рис. 6.4), что практически невозможно, и, кроме того, увеличение тока до 10 8 А/см 2 приводит к взрывообразному разрушению острий и всего эмиттера.

Плотность тока АЭЭ в условиях влияния объемного заряда равна (закон Чайльда-Ленгмюра)

где – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрией и материалом катода.

Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых).

Током автоэлектронной эмиссии при концентрации энергии в микрообъемах катода до 10 4 Дж×м –1 и более (при общей энергии 10 -8 Дж) может инициироваться качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде (рис. 6.4).

При этом появляется ток электронов, который на порядки превосходит начальный ток – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца.

ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получить потоки электронов мощностью до 10 13 Вт с плотностью тока до 10 9 А/см 2 .

	Рис. 6.4	Рис. 6.5

Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов 10 11 ¸ 10 12 штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre ») (рис. 6.5). Время образования лавин 10 -9 ¸ 10 -8 с.

Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастков катода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии. Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхности катода. Прекращение эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов.

Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках, т.е. там, где в наличии есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода.

Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для создания импульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские устройства, мощные релятивистские сверхвысокочастотные генераторы. Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность 10 13 Вт и более при длительности импульсов 10 -10 ¸ 10 -6 с, токе электронов 10 6 А и энергии электронов 10 4 ¸ 10 7 эВ. Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект ) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения.

Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичны изображенным на рисунке 6.3. Здесь, вместо разогрева катода, на него направляют поток фотонов или γ-квантов (рис. 6.6).

Закономерности фотоэффекта еще в большей степени не согласуются с классической теорией, чем в случае холодной эмиссии. По этой причине мы рассмотрим теорию фотоэффекта при обсуждении квантовых представлений в оптике.

В физических приборах, регистрирующих γ – излучение, используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ ). Схема прибора приведена на рисунке 6.7.

В нем используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичную электронную эмиссию , которая заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке последнего другими электронами. Электроны выбиваются светом из фотокатода (ФК ). Ускоряясь между ФК и первым эмиттером (КС 1), они приобретают энергию, достаточную, чтобы выбить большее число электронов из следующего эмиттера. Таким образом, умножение электронов происходит за счет увеличения их числа при последовательном прохождении разности потенциалов между соседними эмиттерами. Последний электрод называют коллектором. Регистрируют ток между последним эмиттером и коллектором. Таким образом, ФЭУ служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, попадающему на фотокатод, что и используют для оценки радиоактивности.

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, испускание электронов нагретой поверхностью. Еще до 1750 было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое обычное свойство плохого проводника электричества. Однако причина этого явления оставалась неясной до 1880-х годов. В ряде опытов, проведенных в период 1882–1889, Ю.Эльстер и Г.Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха раскаленная добела металлическая поверхность приобретает положительный заряд. Об аналогичных наблюдениях упоминалось в патентной заявке Т.Эдисоном (1883); он ввел электрод в одну из своих первых ламп накаливания и обнаружил, что между ее нитью и электродом происходит перенос электрического заряда. Этот «эффект Эдисона», как его иногда называют, лег в основу британского патента (1905) Дж.Флеминга на «прибор для преобразования переменного тока в постоянный» – первую электронную лампу, открывшую век электроники. То, что данное явление связано с испусканием электронов (отрицательно заряженных частиц), продемонстрировал в 1890 Дж.Томсон.

Теорию термоэлектронной эмиссии разработал в 1902 О.Ричардсон; в более позднем ее варианте ток с единицы поверхности нагретого металла, находящейся при однородной абсолютной температуре Т , определяется формулой

гдеА – постоянный множитель, k – постоянная Больцмана, а W – работа выхода, характерная для данного металла, но зависящая от состояния его поверхности; она равна минимальной энергии, необходимой для удаления электрона с поверхности металла. В 1927 С.Дэшман вывел формулу Ричардсона на основе квантовой механики и установил, что множитель A имеет вид

где m и e – масса и заряд электрона, а h – постоянная Планка. На практике величина А может заметно отличаться от даваемой этой формулой, если не обеспечено строгое выполнение условий, при которых выведена последняя. Так, если испускающая электроны поверхность не идеально однородна, на ней будут «пятна» с температурой, превышающей среднюю. Эмиссия электронов из этих «пятен» более интенсивна, и полный ток может оказаться гораздо больше теоретического для идеального случая.

Эмиссия электронов остается незначительной, пока Т не достигнет значения W /k . Поэтому в целях снижения потерь тепла и расхода энергии большие усилия были направлены на создание поверхностей с возможно более низкой работой выхода. В современных электронных лампах почти всегда применяются оксидные катоды, в которых достигается оптимальный компромисс между низкой работой выхода, стоимостью, долговечностью и механической прочностью.