3.3. Емісійні явища

Випромінювання електронів тілами при передачі їм енергії називають електронною емісією. Розглянемо основні емісійні явища.

1. Термоелектронна емісія. Це явище полягає у випроміненні нагрітими металами електронів. Електрон провідності може вилетіти з металу тоді, коли його енергія W перевищує роботу А виходу електрона з металу.

Концентрація n₀ вільних електронів у металах досить велика; їх теплові швидкості при даній температурі різні і розподілені за класичними уявленнями відповідно до закону Максвелла. Це означає, що, навіть при середніх температурах, у металі є досить велика кількість електронів провідності, здатних виконати роботу виходу і вилетіли з металу. Дослід показує, що при температурах металу порядку сотень градусів абсолютної шкали явище термоелектронної емісії стає інтенсивним. У результаті термоелектронної емісії виникає термоелектронний струм.

Я вище термоелектронної емісії можна показати на досліді. У скляній трубці (рис. 3.7), в яку впаяно два електроди – катод К і анод А, утворюють високий вакуум, щоб електрони, рухаючись у трубці, не стикалися з частинками газу, а катод не окислювався. Катод з досліджуваного металу нагрівають електричним струмом від батареї розжарювання. Силу струму в колі розжарювання регулюють реостатом R_p. За допомогою потенціометричної схеми, складеної з батареї елементів Б_а і потенціометра R, між анодом і катодом створюється анодна напруга U_a, яку вимірюють вольтметром V_a. Перемикач Р використовують для зміни знака напруги між електродами К і А. Термоелектронний струм вимірюють гальванометром G.

Дослід показує, що сила термоелектронного струму І_а залежить від створеної між електродами напруги U_a, температури катода і матеріалу, з якого виготовлено катод. Залежність анодного струму І_а від анодної напруги U_a (вольт-амперна характеристика) при різних температурах катода (Т_к1  Т_к2  Т_к3) показана на рис. 3.8. При відсутності прискорюючої напруги (U_a=0) термоелектронний струм не дорівнює нулеві: І_а = І_о. Це так званий нульовий струм. Він забезпечується електронами з найбільшою кінетичної енергією, якої досить для того, щоб подолати простір між катодом та анодом без прискорюючої напруги.

Щоб скомпенсувати струм І_о, необхідно прикласти між катодом та анодом затримуючу напругу U₃. При невеликих анодних напругах сила струму спочатку повільно зростає з підвищенням напруги. Це пояснюється тим, що при невеликих значеннях U_a не всі електрони, які вийшли з катодами в одиницю часу, досягають анода. Частина електронів між катодом і анодом утворює електронну хмарину (просторовий заряд), яка перешкоджає руху до анода тих електронів, які знову вилетіли з катода. Зі збільшенням напруги U_a електронна хмарина поступово розсіюється і струм І_а зростає. При сталій температурі катода (наприклад Т_к1) при U_a = U_н зростання струму припиняється. Це пов’язано з тим, що число електронів, які долітають до анода за одиницю часу, дорівнює числу електронів, що вилітають за той самий час з катода. Максимальний термоелектронний струм, можливий при даній температурі катода, називають струмом насичення І_н, а напругу U_н, при якій досягається струм насичення – напругою насичення.

Залежність термоелектронного струму від анодної напруги, коли U_a U_н, описують формулою Ленгмюра-Богуславського («Закон трьох других»)

(3.6)

де В – коефіцієнт, який залежить від форми електродів та їх взаємного розміщення.

Струм насичення І_н знаходимо через число електронів N, що досягають анода (вилітають з катода) за одиницю часу та заряд електрона І_н= Nе.

Як показує дослід, струм насичення з підвищенням температури катода зростає. Вважаючи, що електрони провідності у металі підлягають квантовій статистиці, можна показати, що густина струму насичення J_н визначається формулою Річардсона-Дешмана:

, (3.7)

де А – робота виходу електрона з металу, k – стала Больцмана, Т – абсолютна температура катода, – емісійна стала, яка залежить від матеріалу катода та стану його поверхні.

Формула (3.7) добре узгоджується з дослідом. Вона свідчить про те, що струм насичення суттєво залежить від роботи виходу електрона із матеріалу катода. Дослідження показали, що робота виходу електрона з оксидованих (покритих окисами лужноземельних металів) і торированих (вольфрамових, покритих мономолекулярним шаром торію) катодів значно менша, ніж робота виходу електронів з чистих поверхонь металу. Наприклад, торирований катод (W+Th) дає при 1700 ^оС струм насичення у 3000 разів більший, ніж чистий вольфрам при 2500 ^оС. Крім торированих катодів використовують барієві (W+Ва), цезієві (W+Cs або окислені W+Cs), складні сполуки, наприклад LaB₆.

Розмістивши поблизу катода К анод А з невеликим отвором, можна отримати вузький пучок електронів – електронний або катодний промінь, який можна легко виявити за світінням, що виникає на екрані, покритому сірчистим цинком, під час потрапляння на нього електронів.

На явищі термоелектронної емісії грунтується принцип роботи електронних ламп та ряду інших приладів. Розглянемо принцип дії електронного осцилографа (рис 3.9), який використовують для вивчення періодично змінних напруг.

Електронний промінь, що виходить з катода, проходить через циліндричний напрямлений електрод В і далі через аноди А₁ і А₂. Потім електрони рухаються через конденсатори С₁ та С₂, розміщені перпендикулярно один до одного. На перший конденсатор подається відома змінна напруга, на другий – напруга, що вивчається. Електронний промінь, періодично відхиляючись у конденсаторах у взаємно перпендикулярних напрямах, виписує на люмінісціюючому екрані осцилограму у вигляді фігур Ліссажу.

З вичайно на перший конденсатор подають напругу, періодично змінну в часі за «пилкоподібним» законом (рис. 3.10). Відхилення електронного променя в горизонтальному напрямі (у конденсаторі С₁) прямо пропорційні напрузі, яка змінюється в свою чергу пропорційно часу. Отже, відхилення електронного променя у вертикальному напрямі в конденсаторі С₂ пропорційні напрузі, що досліджується. Внаслідок цього світловий слід викреслює на екрані осцилографа графік зміни в часі напруги, що вивчається, тобто її «часову розгортку». Дуже мала інерція електронного променя дає змогу вивчати таким методом електричні процеси, які відбуваються за дуже короткий проміжок часу – близько 10^-7 с.

2. Холодна (або автоелектронна) емісія. Холодною емісією називають виривання електронів з металу під дією електричного поля. Вона може відбуватися і при невеликих температурах, причому температура у процесі холодної емісії практично не змінюється. Внаслідок дії на метал електричного поля напруженістю Е електрону можна надати енергію, необхідну для подолання контактної різниці потенціалів на межі металу з навколишнім середовищем. Припустимо, що поверхневий стрибок потенціалу відбувається на відстані порядку 10^-10 м і робота виходу А дорівнює 1 еВ. Якщо електричне поле однорідне, то роботу виходу за формулою (3.1) можна записати так:

Отже, мінімальна напруженість Е електричного поля, яке може вирвати електрон з металу, дорівнює

Насправді, як показують досліди, електрони з металу вириваються полями в сотні разів меншими. Це знаходить своє тлумачення в сучасній електронній теорії металів, проте пояснення механізму холодної емісії металів виходить за межі цього курсу.

3. Фотоелектронна емісія. Це явище полягає в тому, що електрони вириваються з металу під дією світла. Спеціально виготовлені фотокатоди мають високу чутливість, яка дорівнює відношенню кількості електронів, що вилетіли з фотокатода, до числа квантів світла, поглинутих фотокатодом.

У сучасних складних фотокатодах робота виходу електрона зменшена за рахунок спеціальної обробки катода. Наприклад, киснево-цезієві катоди складаються з чотирьох шарів: срібла, окису срібла і окису цезію, на поверхні якого абсорбовані атоми цезію. Чутливість таких фотокатодів досягає 1/300, а чутливість сурм’яно-цезієвих фотокатодів досягає 1/4.

4. Вторинна емісія. Якщо поверхню металу у вакуумі бомбардувати мікрочастинками (електронами, протонами, нейтронами), то сама ця поверхня стає джерелом електронів. Це явище називають вторинною електронною емісією. Якщо бомбардування відбувається прискореними електронами, то вторинний електронний потік частково складається з електронів, відбитих поверхнею, і частково з електронів, вирваних з металу. Відношення кількості n₂ вторинних електронів до числа n₁ первинних електронів називають коефіцієнтом вторинної емісії. Зрозуміло, що  має бути більшим за одиницю.

Явище вторинної електронної емісії використовують у помножувачах, які застосовують для багаторазового підсилення слабких електронних струмів.

Н а рис. 3.11 подано схему електронного помножувача. Електрони, що виникають на фотокатоді К, напрямляють на катод вторинної емісії – емітер – КS₁; вони мають енергію, що відповідає різниці потенціалів між К і КS₁. Число вторинних електронів, вирваних з катода КS₁, в  разів перевищує число електронів, що вийшли з катода К. Підсилений електронний потік напрямляють на емітер КS₂. процес множення потоків повторюється на катодах КS₃, ..., КS_n. Якщо помножувач має n емітерів або n каскадів, то на останньому електроді – аноді, який називають колектором, можна отримати досить сильний електричний струм.