Электронная эмиссия

Электронная эмисияЕсли два электрода поместить в герметичный сосуд, и удалить из него воздух, как показывает опыт, электрический ток в вакууме не возникает. Причина заключается в том, что в вакууме нет заряженных частиц, спо­собных переносить электрические заряды от одного электрода к дру­гому. Заряженные частицы — элект­роны и положительно заряженные ионы — есть в каждом из электро­дов, но они не могут выйти в ва­куум, так как удерживаются сила­ми кулоновского притяжения друг к другу.

Для освобождения электрона с поверхности твердого тела нужно совершить работу против сил элект­ростатического притяжения, дейст­вующих на отрицательный электрон со стороны положительно заряжен­ных атомных ядер. Работа, которую нужно совершить для освобождения электрона с поверхности тела, называется работой выхода. Работа вы­хода обычно выражается в электрон-вольтах и для большинства метал­лов лежит в пределах от 2 до 6 эВ. Например, для цезия она равна 1,8 эВ, для серебра 4 эВ, для никеля 4,9 эВ.

Американский ученый и изобрета­тель Т. А. Эдисон в 1879 г. обнару­жил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электриче­ский ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры.

Для исследования природы элект­рического тока, возникающего в ва­кууме при нагревании одного из электродов, поставим следующие опыты. Пусть в стеклянном баллоне находятся два электрода, один из ко­торых представляет собой металли­ческий диск, второй — тонкую метал­лическую проволоку, свернутую в спираль. Концы спирали укреплены на металлических стержнях, имею­щих два выхода для подключения в электрическую цепь. Соединив концы спирали с источником тока, можно нагреть ее до высокой температуры.

Опыт показывает, что если соеди­нить стержень заряженного электрометра с диском, а корпус — с холод­ной проволочной спиралью, то элект­рометр не разряжается ни при по­ложительном, ни при отрицательном заряде на стержне.

Подключим источник тока к выво­дам проволочной спирали. Теперь электрометр быстро разряжается при положительном потенциале стержня, при отрицательном потенциале стержня электрометр по-прежнему не разряжается.

Эти опыты показывают, что нагре­тая спираль испускает частицы, об­ладающие отрицательным электри­ческим зарядом. Изучение свойств частиц, испускаемых нагретыми те­лами, показало, что это электроны. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией.

Явление термоэлектронной эмис­сии объясняется тем, что при по­вышении температуры тела увеличи­вается кинетическая энергия некото­рой части электронов в веществе. Если кинетическая энергия электро­на превысит работу выхода, то он, может преодолеть действие сил при­тяжения со стороны положительных ионов и выйти с поверхности тела в вакуум.

Термоэлектронная эмиссия на­поминает процесс испарения жид­кости или твердого тела с той разницей, что с нагретого металла, испаряются электроны, а из жид­кости — нейтральные молекулы. Под действием электрического поля между диском и нагретой спиралью элек­троны свободно движутся в вакуу­ме — это и есть электрический ток. Вместо источника свободных электронов в вакууме можно исполь­зовать источник положительных ио­нов (например, радиоактивный пре­парат, испускающий ?-частицы). Под действием электрического поля ?-частицы будут двигаться, т.е. воз­никает электрический ток. Итак, электрический ток в вакууме может создаваться упорядоченным движе­нием любых свободных заряженных частиц: электронов, положительных и отрицательных ионов.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп.