кінетична енергія електронів може також витрачатися на іонізацію або збудження атомів;

5) завдяки великому значенню е/m0електрон має велику рухливість. Електрони мають подвійну природу. Згідно квантової теорії електрони мають

властивості не тільки матеріальних частинок (корпускул), а й хвильові. Електронам, як і світловим променям властиве явище дифракції, тобто огинання хвилями перешкоди, що стоїть на їхньому шляху. В більшості електронних приладів хвильові властивості електронів не виявляються і потік електронів розглядають як рух матеріальних часток.

3.Робота виходу електронів

3.1Розподілення Фермі

При температурі абсолютного нуля (Т = 0 К) і відсутності інших джерел збудження електрони в атомах будь-якої речовини займають рівні з найменшою енергією. В провідниках, які мають високу концентрацію електронів в зоні провідності, розподілення електронів за величинами енергії зображають графіком, названим розподіленням Фермі (рис. 6). По осі абсцис відкладають значення енергії, а по осі ординат – кількість електронів.

Рис. 6 Графік розподілення електронів за величинами енергії в зоні провідності (розподілення Фермі).

Із графіка видно, що при температурі абсолютного нуля (крива 1) відсутні елек-

трони, що мають енергію більшу за W (рівень Фермі). Величина W залежить від

F ∙ F

фізичних властивостей матеріалу і визначається за формулою: WF= h2/2m (3 N/8p)2/3 = 3,64 10-15N2/3, (7)

де h – постійна Планка; mе– маса електрона;

N – число вільних електронів в 1 см3 провідника (концентрація).

Звідси, знаючи концентрацію вільних електронів N можна вирахувати енергію

Фермі. В металах N» 1022 .....10∙23. Для вольфраму, наприклад

N = 1,26 1023 1/см3, тоді WF = 8,95 еВ.

Дослідити показують, що величина енергії WF слабо залежить від температури. Чим вища температура (крива 2), тим більше появляється електронів, що мають

енергію дещо вищу за WF, причому максимум кривої розподілення зсувається вліво.

3.2Вихід електронів із металу.

Внормальних умовах (при температурі 0 К) електрони в провідниках мають енергію, близьку до WF, і недостатню для їх виходу з металу в навколишній простір. При кімнатній температурі (для 300К) появляються електрони, які мають енергію більшу за WF, але лише їх невелика кількість може вийти з металу. Виходу електронів перешкоджають поверхневі сили, що створюють потенціальний бар’єр.

Одна із складових потенціального бар’єру виникає внаслідок створення подвійного електронного шару біля поверхні металу. Це пояснюється наступним чином. Та невелика кількість електронів, які виходять за межі металу, втрачають більшу частину енергії і накопичуються на поверхні металу. Між цими електронами і позитивними іонами, що знаходяться всередині металу біля його поверхні, створюється електричне поле, яке направлене від провідника до шару електронів (рис. 7). Для подвійного електронного шару на електрони, що хочуть покинути границі металу, діє сила, яка являється гальмівною, так як цим електронам приходиться летіти вздовж електричних силових ліній і віддавати свою енергію полю.

Рис. 7 Подвійний електронний шар на поверхні металу

Друга складова потенціального бар’єру зумовлена дією сили дзеркального відображення, що виникає при виході електронів із металу. Пояснюється це тим, що метал, який залишила частина електронів, заряджається позитивно і, значить між ним і електронами, що вилетіли виникає електричне поле. Це поле буде для них гальмівним, при цьому на електрони буде діяти сила притягання F зі сторони іонів металу.

Таким чином, для відриву електрона від поверхні металу, йому слід надати до власної енергії WF (енергії Фермі, яку він має при 0 К) деяку додаткову енергію W0. Тоді повна енергія електрона при виході із металу складатиме:

Wa = WF + W0 (8)

Мінімальна додаткові енергія W0, яка витрачається електронами при виході із металу, називається роботою виходу. Її прийнято визначати як добуток заряду електрона е на пройдену різницю потенціалів j у вольтах і виражати в електрон – вольтах (або просто в вольтах) ∙ 0

е j0= W0= Wa - WF , (9)

де j0= W0 / е – являється потенціалом виходу.

На рис.8 приведена діаграма зміни енергії, необхідної для переміщення електрона вздовж осі Х, нормальної до поверхні металу.

В кристалічній структурі металів електрони переміщуються вільно, а тому енергія на їх переміщення рівна нулеві (ділянка до точки а). Поблизу поверхні металу починається вплив неоднорідності і для проходження електрону необхідно йому надати додаткову енергію (ділянка ав). Ділянка всd характеризує витрати енергії на подолання поверхневих сил. На віддалі ³ 3d (де d –мінімальна віддаль) вплив кристалічної гратки металу відсутній, а тому немає витрат енергії і електрон знову переміщується вільно.

Значення роботи виходу електронів для деяких металів, що використовуються в електронних приладах, наведено в табл. 1.

Вихід електронів можливий також із напівпровідників і діелектриків. При цьому робота витрачається не тільки на подолання гальмівних електричних сил, але і на збудження електронів, що переходять із валентної зони в зону провідності.

Енергетична діаграма виходу електронів із напівпровідників приведена на рис. 10. Повна робота виходу електронів напівпровідників

еj = еjі + еj0 , (10)

де еjі – робота, що витрачається на перевід електронів із валентної зони в зону провідності;

еj0– робота виходу, необхідна для виходу електронів провідності за межі напівпровідника.

4. Види електронної емісії.

Щоб дістати у вакуумі або газі електронного приладу потік електронів, використовують спеціальний металевий або напівпровідниковий електрод – катод. Процес виходу електронів з катода в навколишнє середовище називають електрон-

ною емісією.

Щоб електрони вийшли за межі катода, їм треба надати зовні певну енергію, достатню для подолання протидіючих сил. Залежно від засобу надання електронам додаткової енергії розрізняють наступні види електронної емісії:

а) термоелектронну, при якій додаткова енергія надається електронам внаслідок нагрівання катода;

б) фотоелектронну, при якій поверхня катода опромінюється світлом; в) вторинну електронну, що є результатом бомбардування катода потоком

електронів або іонів; г) електростатичну, при якій електрони залишають катод завдяки сильному

електричному полю його поверхні.

5.Рух електронів в електричному полі.

5.1Електрон в прискорювальному електричному полі.

На рис.11. показано однорідне електричне поле з напруженістю Е, створене між двома паралельними пластинами.

Рис.11. Рух електрона в прискорюю чому електричному колі Нехай електрон покинув катод і рухається в напрямі до анода з початковою

швидкістю V0. На електрон, вміщений в однорідне електричне поле з напруженістю Е, діятиме сила поля

F = – eE (11)

Знак “мінус” вказує на те, що внаслідок негативного заряду електрона сила має напрям протилежний вектору напруженості електричного поля.

Сила F надає електрону прискорення a, пропорційне силі F і обернено пропорційне масі електрона mе

a = = E (12)

Для електрона, напрям швидкості якого V співпадає з напрямом сили поля F, електричне поле буде прискорювальним.

Рухаючись рівноприскорено, електрон досягне анод зі швидкістю V, маючи

проти сили F, що діє на електрон з боку поля (рис.12). У цьому разі електричне поле є для електрона гальмуючим.