Эмиссионные явления и их применение

Электронной эмиссией называется явление испускания электро-нов твердым (или жидким) телом, которое называется эмиттером. Для того чтобы часть электронов могла выйти за пределы тела и, сле-довательно, участвовать в электронной эмиссии, их необходимо пред-варительно возбудить, т. е. сообщить дополнительную энергию. В за-висимости от того, какова природа источника энергии возбуждения электронов, различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вто-ричную электронную и автоэлектронную эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия –испускание электронов нагретымителами. Источником энергии возбуждения электронов является тепло-вая энергия. Явление термоэлектронной эмиссии используется в при-борах, в которых необходимо получить поток электронов в вакууме, например в электронных лампах, электронно-лучевых трубках, рент-геновских трубках и т. д.

Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) –испусканиетелом электронов при облучении его поверхности светом. Энергия возбуждения электронов сообщается электромагнитной волной (фо-тонами ). Катоды электровакуумных приборов, испускающие электро-ны под действием света, называются фотокатодами.

Вторичная электронная эмиссия –испускание телом так называе-

мых вторичных электронов при ударах о его поверхность первичных электронов, ускоренных электрическим полем. Источником энергии воз-буждения электронов эмиттера в этом случае является кинетическая энергия первичных электронов. Возбуждение происходит за счет куло-новского взаимодействия первичных электронов и электронов эмиттера. Вторичная электронная эмиссия используется в фотоэлектронных умно-жителях (ФЭУ), применяемых для усиления слабых электрических токов.

Термоэлектронная, фотоэлектронная и вторичная электронная эмиссии называются эмиссиями с предварительным возбуждением электронов.

В отсутствие силовых полей в вакууме, окружающем эмиттер, полная энергия электронов вне эмиттера либо равна нулю, либо по-ложительна, если он движется. В основном (не возбужденном) со-стоянии электроны занимают наиболее низкие энергетические уровни с энергиями, меньшими или равными энергии Ферми W_F . Внутри ма-териала эмиттера возможны состояния электронов как с отрицатель-ными энергиями (связанное состояние электрона), так и с положи-тельными энергиями (свободное состояние электрона). Для того что-бы часть электронов могла выйти за пределы тела и , следовательно, участвовать в электронной эмиссии, их необходимо предварительно возбудить, т. е. сообщить им такую дополнительную энергию, чтобы их энергия стала положительной.

Если вблизи поверхности эмиттера имеется сильное электрическое поле, тянущее электроны от его границы, то энергия электрона вне эмиттера в этом поле будет убывать с увеличением расстояния до эмиттера. В этом случае эмиттер могут покидать не только те электро-ны, которые получили дополнительную энергию. Возникновение такой эмиссии объясняется тем, что сильное электрическое поле у эмиттера уменьшает потенциальный барьер у поверхности материала эмиттера, что приводит к увеличению вероятности испускания электронов. Такая разновидность электронной эмиссии называется туннельной эмиссией и обусловлена волновыми свойствами электронов. Примером туннель-

ной эмиссии является автоэлектронная эмиссия.

Автоэлектронная эмиссия –испускание электронов поверхно-стью тела при наличии у поверхности сильного внешнего электриче-ского поля (более 10⁸ В/м). При автоэлектронной эмиссии не возбуж-денные электроны эмиттера выходят в окружающее пространство пу-

тем туннелирования.

Электроны проводимости могут вырваться из материала эмиттера в окружающее пространство, если обладают достаточно большой ки-нетической энергией. При этом они совершают работу, которая назы-вается работой выхода. Под работой выхода понимается наименьшая энергия, которую надо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из металла.

Физическая природа работы выхода определяется рядом факто-ров. При удалении одного из электронов из металла оставшиеся в нем электроны окажутся в иных условиях, чем до удаления. Это вызовет изменение их состояний и соответствующее изменение энергии, кото-рое и произойдет за счет части работы выхода. Электроны, покинув-шие эмиттер, образуют вблизи поверхности металла отрицательно

заряженный электрический слой, который вместе с избыточным по-ложительным зарядом ионов под поверхностью металла образует двойной электрический слой, поле которого тормозит проходящие сквозь него электроны. На преодоление этого поля также расходу-ется часть работы выхода. Электрон, вышедший в вакуум, индуци-рует на поверхности металла положительный заряд, работа по пре-одолению притяжения которого также является составляющей ра-боты выхода.

Работа выхода зависит от химической природы металла и состоя-ния его поверхности. Эта величина слабо зависит от температуры. Для чистых металлов работа выхода колеблется в пределах нескольких электронвольт.