Отношения работ выхода электронов для металлов

  • ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 208
  • ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕМЕНТА
  • Теория

 Работа выхода электрона из металла. Электроны проводимости в металле находятся в беспорядочном тепловом движении. Наиболее быстро движущиеся электроны, обладающие достаточно большой кинетической энергией, могут вырваться из металла в окружающее пространство.

При этом они совершают работу как против сил притяжения со стороны избыточного положительного  заряда, возникающего в металле в результате их вылета, так и против сил отталкивания со стороны ранее вылетавших электронов, образующих вблизи поверхнос­ти проводника электронное «облако».

 Между электронным газом в ме­талле и электронным «облаком » существует динамическое равновесие.

Работу, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в безвоздушное пространство, называют работой выхода. Работа выхода совершается электронами за счет уменьшения их кинетической энергии. Поэтому понятно, что медленно движущиеся электроны вырваться из металла не могут.

Недостаток электронов в металлическом проводнике: и их избы­ток в окружающем пространстве, образовавшиеся в результате вылета части электронов из металла, проявляются только в очень тонком слое по обе стороны от поверхности проводника.

Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям в металле. В первом приближении можно считать, что поверхность металла представляет собой двойной и электрический слой, подобный весьма тонкому конденсатору.

Разность потенциалов  между обкладками такого кон­денсатора зависит от работы  А выхода электрона из металла:

  1.  = (1)
  2. где е — абсолютная величина заряда электрона.
  3. Электрон, вылетая за пределы металла, должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя.
  4. Характеризующую это поле разность потенциалов  принято называть поверхностным скачком потенциала, или контактной раз­ностью потенциалов между металлом и окружающей средой.

 Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности; загрязнения, следы влаги и пр. изменяют ее величину. Для чистых металлов работа выхода колеблется в пределах нескольких электрон-вольт.

 Таблица 1

металл Cs Ba Zr Th Ta Zn Mo Cu W Ni Pt
А,эв 1,81 2,11 4,12 3,38 4,12 3,74 4,I5 4,47 4,50 5,03 6,27 

 Контактная разность потенциалов. Законы Вольта. Возникновение контактной разности потенциалов между соприка­сающимися металлическими проводниками было открыто в конце 18 века итальянским физиком А. Вольта. ОН экспериментально установил следующие два закона (Законы Вольта):

  • При соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит только от их химического состава
  • и температуры.

Разность потенциалов между концами цепи, состоящей из последовательно соединенных металлических проводников, на­ходящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников. Она равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соедине­нии крайних проводников.

 Классическая электронная теория проводимости металлов позволила объяснить законы Вольта и найти выражение для кон­тактной разности потенциалов.

 Рассмотрим контакт различных металлов I и 2 (рис. I). Обозначим работу выхода электронов из первого металла через А1, а из второго — через А2 . Наиболее быстрые электроны при хаотическом тепловом движении будут переходить через поверхность контакта из первого металла во второй и из второго — в первый.

Однако, если А1 ≠ А2 , то электронам при прочих равных условиях, труднее вый­ти из первого металла, чем из второго. Очевидно, что в результате взаимных переходов электронов в первом металле появится избыток, а во втором — недостаток. Таким образом, возникает контактная разность потенциалов между металлами.

  1. При этом учитывалось, что работа на пути сd равна нулю, Следовательно,
  2. А12+А2-А1=0
  3. Контактная разность потенциалов между двумя соприкасающимися металлами, возникающая из-за различной величины работ выхода электронов из этих металлов равна:

Отношения работ выхода электронов для металлов

Знак «минус» в этой формуле стоит потому, что при А1> А2  < т.е. первый металл заряжается отрицательно, а второй – положительно. В формуле (3), как и во всех последующих формулах этой главы, е обозначает абсолютную величину заряда.

Вторая причина появления контактной разности: потенциалов между металлами I и 2 связана с представлением об электронном газе в металлах, как об идеальном газе. Давление идеального газа, как известно равно:

Р= n0 кТ ,

где n0 — число молекул (в нашем случае — число электронов) в едини­це объема, К — постоянная Больцмана. Таким образом, если даже температуры обоих металлов одинаковы, но n01≠ n02, то д а в л е н и е электронного газа в этих металлах различны.

Если, например, P1>P2, то под действием перепада давлений P1-P2 электроны будут переходить из первого металла во второй в большем количестве, чем из второго в первый. Это будет происходить до тех пор, пока электрическое поле, возникающее вследствие преимуществен­ного диффузионного перехода электронов, не компенсирует своим противодействием влияния перепада давления.

Контактная разность потен­циалов , которая возникает на границе двух металлов в результате диффузионного перехода электронов, выражается формулой:

  •  =-= (4)
  • Из формул (3) и (4) следует, что полная контактная разность потенциалов =-между двумя металлами равна:
  •  -==-=-+ (5)
  • Формула (5) является математическим выражением первого зако­на Вольта. Так как она показывает, что — зависит только от т е м п е р а т у р ы и 
  • х и м и ч е с к о й п р и р о д ы контакти­рующих металлов.
  • Для доказательства второго закона Вольта рассмотрим, например,

 цепь, состоящую четырех последовательно соединенных металлических проводников  (рис.2). Предположим, что температура во всех проводниках одинакова. 

 Разность потенциалов между концами цепи равна алгебраической сумме скачков потенциалов во всех контактах:

-=(-)+(-)+(-)

  1. Пользуясь уравнением (5) найдем:
  2. -=-+-+-+ ,
  3. или  -=-+

т.е. действительно не зависит от природы промежуточных проводников.

 Оценим порядок величины обоих членов, входящих в формулу (5). Так как работа А1 и А2 у различных металлов лежит в пределах нес­кольких электронвольт, то ≈1в. Если считать, что n0 приблизи­тельно равно числу атомов металла, заключенных в единице объема, то отношение  лежит в пределах единицы и ≈1. Поэтому второй член в формуле (5 ) по порядку величины равен:

Отношения работ выхода электронов для металлов

 Следовательно, при комнатной температуре ≈0,03В, т.е. «

Опыт показывает, что практически не зависит от температуры, в то время ­

как  возрастает прямо пропорционально абсолютной температуре (если пренебречь более слабой зависимостью  от тем­пературы).

Явление термоэлектричества (эффект Зеебека). Рассмотрим

Отношения работ выхода электронов для металлов

  •  Электро­движущая сила, приложенная в этой  цепи, равна алгебраической сумме всех 
  •  скачков потен­циала:
  • Рис. 3

Если температура обоих спаев одинакова, т.е. Та= Тб=Т, то на осно­вании уравнения (5) имеем:

  1. EТ=-+-+=0
  2. В замкнутой цепи, образованной из нескольких металлических проводников, все спаи которой находятся при одинаковой температуре, невозможно возникновение электродвижущей силы за счет одних только контактных скачков потенциала.
  3. Иначе обстоит дело, если температура спаев а и б различна, например, Та >Т б. Тогда по уравнению (5)
  4. EТ=(Та-Тб)=(Та-Тб), (6)

где =. Величина  является постоянной, характеризую­щей свойства контакта данных двух металлов.

В этом случае в замкнутой цепа появляется так называемая терм о электродвижущая  с и л а, прямо пропор­циональная разности температур обоих спаев.

Благодаря возникшей термоэлектродвижущей силе в такой цепи возникает ток, направление которого при n01 Тб (рис.3), то происходит нагревание спая б и охлаждение спая а.

При изменении направления электрического тока на обратное спай б охлаждается, а спай а нагревается. Это явление было открыто Пельтье в 1834 г. и называется ЭФФЕКТОМ ПЕЛЬТЬЕ

Явление Пельтье так же,как и появление термоэлектрической ЭДС, связано с возникновением контактной разности потенциалов на границе двух металлов. Предположим, что металл I спая  зарядится отрицатель­но, а металл 2 этого спая — положительно. Тогда при направлении тока, указанном на рис.

5, электроны в спае  движутся в направлении 1 2 испытывают под действием электрического поля контакта дополнительное ускорение. Кинетическая энергия электро­нов возрастает за счет внутренней энергии спая. Поэтому внутренняя энергия спая  уменьшается, и его температура понижается.

В спае б происходит обратное явление — проходящее через него в направлении 2 1 электроны замедляются электрическим полем контакта. При этом они отдают часть своей энергий, спаю б, температура которого повышается.

Очевидно, что при изменении направления тока на проти­воположное спай  будет нагреваться, а спай б – охлаждаться.

Отношения работ выхода электронов для металлов Отношения работ выхода электронов для металлов

  • охл.
  • нагр.
  •  Рис. 4

Явление Пельтье; можно использовать для устройства холодиль­ной машины. Однако экономичность такой машины, основанной на эффек­те Пельтье в металлах, очень мала. Значительно, более экономичным являются полупроводниковые холодильные устройства.

  1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
  2. Применение термопары для определения температуры возможно в случае, если известна зависимость возникающей в ней термоэлектро­движущей силы (термоэдс) Ет от разности температур ее контактов (спаев). Термоэдс связана с величиной термотока Jт согласно закону Ома формулой:
  3. Ет = Jт (r+R0)= Jт·R,
  4. где r- внутреннее сопротивление самого термоэлемента, а
  5. R0- сопротивление цепи, на которую замкнут этот термоэлемент.
  6.  Согласно равенству (6) ET =  • T,
  7. поэтому•T=JT•R,
Читайте также:  Марка краски для оцинкованного металла

  =-чувствительность

термоэлемента, численна термоэдс при разности температур спаев в один градус.

JT===c,c=

если R=r+R0 есть величина постоянная.

Отношения работ выхода электронов для металлов

  • Рис. 6
  • G- зеркальный гальванометр
  • Rш- постоянное сопротивление (на переднюю панель установки не выведено)- шунт гальванометра;
  • а,б — спаи термопары: А — сосуд Дьюара, наполненный водой при комнатной температуре: В — колба, наполняемая водой, нагретой до точки кипения;  К — выключатель

Градуировка термопары сводится к следующему: поддерживая один спай термопары во время эксперимента при одной и той же тем­пературе, другой спай приводят в соприкосновение со средой, температуру которой можно изменить; записывают обнаруженный чувствительным гальванометром термоток –Jт , соответству­ющий разности температур спаев термопары .Строят градуировочный график, откладывая по оси абсцисс значения , а по оси ординат — соответствующие им значения Jт .

Градуировку термопары можно производить с помощью уста­новки (рис.6)

Измерения следует проводить в следующем порядке.

Нагреть на электроплитке воду в колбе до температуры кипе-­ ния. Электроплитка включается в сеть с напряжением 220 в.

Держатель термоэлементов и проводов термопары поднять, на­ сколько возможно, освободив удерживающий винт. Поставить колбу с нагретой водой под правый спай. Осторожно отпустить

  1. держатель, чтобы спаи с термометрами оказались погруженными в воду.
  2.  Правый спай — в нагретую воду в колбе;
  3. Левый спай — в воду при комнатной температуре в сосуд Дьюара.
  4. Включить осветительное устройство зеркального гальванометра в сеть с напряжением 220 вольт.
  5. Определить по термометру температуру левого (холодного) спая термопары t00с, которая в процессе эксперимента неизменна.
  6. Включить выключатель К.

6. Определить 5-6 показаний светового указателя гальванометра n (в делениях шкалы), соответcвующих различным температурам правого (остывающего горячего) спая t (примерно через каж­дые 10°). Для более быстрого понижения температуры горячего спая горячую воду в колбе следует разбавлять холодной. Резуль­таты измерений занести в таблицу 2.

7.Закончив измерения, выключить осветительное устройство зеркального гальванометра.

8. На основании опытных данных построить градуировочный график, выражающий зависимость n=f(), т.е. откладывая по оси абсцисс значения разности температур спаев , а по оси ординат — соот­ветствующие им показания гальванометра n, пропорциональные термотоку.

Контрольные вопросы

Работа выхода электрона из металла. От чего она зависит?

Контактная разность потенциалов; две причины ее возник­- новения. Законы Вольты.

Эффект Зеебека. Термопара, ее чувствительность. Примене­- ние термопары.

Эффект Пельтье.

В чем заключается градуировка термопары? Как она осуществляется?

Экспериментальная часть

Определение модуля Юнга методом растяжения. Из формулы (4.5), выражающей закон Гука для относительного удлинения, выразим значение модуля Юнга:

  •      .
  • Из рис. 6 следует F = Р = mg – сила тяжести груза, растягивающего проволоку, тогда:
  • ,                                                                                     (4.7)
  • где S – сечение образца цилиндрической формы, определяемое формулой
  • ,                                                                                     (4.8)
  • здесь d – диаметр исследуемой проволоки.

Подставив (4.8) в (4.7), получим рабочую формулу для определения модуля Юнга:

Выделим в этой формуле постоянные величины и рассчитаем константу, взяв данные из паспорта работы для величины l0, d:

.                                                                                  (4.10)

Тогда рабочая формула для опытного нахождения модуля Юнга примет вид:

.                                                                                      (4.11)

Порядок выполнения работы

Запишите паспортные данные установки (l0 = 1,6 м, d = 5·10-4, ЕТ = 21·1010 Па) и рассчитайте константу по формуле (4.10).

Поворотом внешнего кольца установите «0» на индикаторе.

Нагрузите проволоку одним из грузов, рассчитайте абсолютное удлинение проволоки по формуле Dl = z × n, где z – цена деления индикатора, n – показания индикатора.

Рассчитайте модуль Юнга по формуле (4.11).

  1. Повторите опыт два раза, меняя нагрузку.
  2. Опытные данные занесите в таблицу 1
  3. Таблица 1
1 2 3 4 5 6
m, кг
n
Dl, м
E, Па

По данным таблицы 1 рассчитайте среднее значение модуля Юнга – Еср.

Рассчитайте погрешность опыта, взяв значение модуля Юнга Ет  таблиц, по формуле

Отношения работ выхода электронов для металлов

Обсудите величину ошибки эксперимента и причин ее появления.

Работа выхода электронов

  • Электроны в атоме.
  • В соответствии с электронной теорией все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц – атомов.
  • Атом, в свою очередь состоим из более мелких частиц, основными из которых являются протоны, нейтроны и электроны.
  • Протоны имеют положительный электрический заряд,
  • электроны – отрицательный, равный по величине заряду протона,
  • нейтроны электрически нейтральны, их заряд равен нулю.

Протоны и нейтроны образуют ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Вокруг ядра под влиянием его притяжения движутся по определенным замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны.

В нормальном состоянии атом содержит одинаковое количество протонов и электронов и поэтому электрически нейтрален.

Количество протонов, нейтронов и электронов в атоме зависит от типа химического элемента составной частью, которого он является. Например, в атоме водорода вокруг ядра вращается только один электрон, в атоме меди – 29, в атоме золота – 79.

Число электронов вращающихся вокруг ядра, всегда равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Например, атом 92-го элемента таблицы (урана) имеет 92 электрона, вращающихся вокруг ядра по многочисленным орбитам.

Вращающиеся в атоме электроны, которые расположены на внешних орбитах, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах. Поэтому под действием соседних атомов или вследствие других причин внешние электроны могут покинуть свою орбиту, что повлечет за собой изменение электрического состояния атома.

Электроны, расположенные на внешних орбитах атомов, называются валентными электронами. Они определяют химическую активность вещества, т.е. участвуют в создании химической связи между атомами.

Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей, получили название свободных электронов. Они перемещаются внутри вещества между атомами в различных направлениях и с различными скоростями.

При наличии внешнего электрического поля беспорядочное движение свободных электронов становится упорядоченным, направленным. В результате − возникает электрический ток.

Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем выше его электропроводность. Этим и объясняется хорошая проводимость металлов, а также деление твердых тел по способности их проводить электрический ток на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Теряя или приобретая электроны, нейтральный в электрическом отношении атом становится заряженным. Такой атом называется ионом.

Процесс отрыва электронов от атома или присоединения к атому лишнего электрона в результате, которого образуется положительный или отрицательный ион, носит название ионизации атома.

Ионы, имеющие разноименные заряды, притягиваясь, друг к другу, образуют молекулы.

Работа выхода электронов

Дляработы электронных приборов необходимы свободные электроны. Только в этом случае они смогут выполнять функции электрического тока.

Как получить такие электроны? Задача заключается лишь в том, чтобы оторвать их от ядра и при необходимости извлечьиз вещества.

Но оказывается это возможно лишь при выполнении определенных условий, речь о которых и пойдет ниже.

При температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) и отсутствии других источников возбуждения электроны в атомах любого вещества занимают уровни с наименьшей энергией.

В проводниках, обладающих высокой концентрацией электронов в зоне проводимости, распределение электронов по величинам энергии можно изобразить графиком, названным распределением Ферми. По оси абсцисс отложено значение энергии, а по оси ординат – количество электронов. Из графика рис, 1.

4, (кривая 1) видно, что при температуре абсолютного нуля нет электронов, обладающих энергией, большей WF (уровень Ферми).

Величина WF зависит от физических свойств материала и определяется выражением

Отношения работ выхода электронов для металлов

где hпостоянная планка; me масса электрона; N – число свободных электронов в 1 кубическом см проводника.

В металлах N ≈ 1022 …1023. Максимальная энергия WF электронов внутри металла достигает десятков электрон-вольт. Однако выход электронов за поверхность металла при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий (освещение поверхности проводника, бомбардировка пучком электронов и т.п.) не наблюдается. Это объясняется двумя причинами.

Отношения работ выхода электронов для металлов

Во-первых, те немногие электроны, которые выходят за пределы проводника, теряют большую часть своей энергии и накапливаются на поверхности металла. Между этими электронами и положительными ионами, находящимися внутри металла у его поверхности, образуется электрическое поле, направленное от проводника к слою электронов. Совокупность положительных ионов у поверхности металла и электронов, появляющихся над поверхностью, называется двойным электрическим слоем.

Читайте также:  Саморез усиленный для металла

Действие двойного электрического слоя на электроны, стремящиеся покинуть пределы металла, является тормозящим, так как этим электронам приходится лететь по направлению электрических силовых линий и отдавать свою энергию полю.

Во-вторых, если некоторое количество электронов все же выйдет за пределы металла, то металл будет обратно их притягивать. Объясняется это тем, что металл, лишенный части электронов, заряжается положительно и, следовательно, между ним и вылетевшими электронами возникает электрическое поле, препятствующее выходу новых электронов.

Таким образом, для отрыва от поверхности проводника электроны должны затратить работу против электрических сил, возвращающих их обратно, т.е. некоторую полную энергию

Wa = WF + W0 1.8

Величина W0 называется работой выхода.Работа по перемещению электрона из проводника в окружающее пространство равна произведению заряда электрона eна пройденную разность потенциалов φo. Поэтому

W = Wa — WF = eφ0. 1.9

  1. Эта работа измеряется в электрон-вольтах.
  2. Величина работы выхода твердых тел зависит от их структуры и является физической характеристикой тела.
  3. Чем меньше у данного проводника работа выхода, тем меньше должна быть затрата энергии для получения свободных электронов вне этого проводника.

Выход возможен также из полупроводников и диэлектриков. Однако при этом работа затрачивается не только на преодоление тормозящих электрических сил, но и на возбуждение электронов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости.

  • Полная работа выхода полупроводников
  • eφ= eφi +0 1.10
  • Где еφi — работа, затрачиваемая на перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости;
  • еφ0- работа, необходимая для выхода электронов проводимости за поверхность полупроводника.

Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая процесс выхода электронов из полупроводника приведена на рис. 1.7. У некоторых примесных полупроводников работа выхода может быть очень малой – порядка 1 эВ.

Таким образом, если электронам металлов или полупроводников сообщается извне дополнительная энергия, то выход электронов из тела оказывается возможным – происходит электронная эмиссия.

Поток свободных электронов в электровакуумных и ионных (газоразрядных) приборах возникает из металлического или полупроводникового электрода – катода.

Чтобы электроны могли выйти за пределы катода, необходимо сообщить им извне некоторую энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил.

В зависимости от способа сообщения электронам добавочной энергии различают такие виды электронной эмиссии:

  1. термоэлектронную, при которой дополнительная энергия сообщается электронам в результате нагрева катода;
  2. фотоэлектронную, при которой на поверхность катода воздействует электромагнитное излучение;
  3. вторичную электронную, являющуюся результатом бомбардировки катода потоком электронов или ионов, двигающихся с большой скоростью;
  4. электростатическую, при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов за его пределы.

ПОИСК

Потенциал ионизации, работа выхода и их влияние на условия горения дуги.
[c.11]
На рис. 115 приведена полученная Р. Н. Васениным линейная зависимость между потенциалом нулевого заряда и работой выхода электрона.
[c.162]

Рис. 116. Связь между потенциалами нулевых зарядов и работами выхода электрона Отношения работ выхода электронов для металлов

Сопоставление потенциалов нулевых зарядов V (0) некоторых металлов в водных растворах, в расплавах н вычисленных по уравнению (290) из работы выхода электрона из металла (по Л. И. Антропову)
[c.165]

Чтобы электроны могли покинуть металл, они должны обладать запасом энергии для преодоления электростатического притяжения ионов. Прочность связи электрона в данном металле характеризуется величиной работы выхода электрона, т. е. количеством энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла. Только в случае придания электронам дополнительной энергии (нагрев, облучение ультрафиолетовыми лучами и др.) можно создать условия для выхода электронов из поверхностного слоя металла. В обычных условиях выход электронов из металла невозможен. Металлическая связь бывает весьма прочной металлам свойственна высокая твердость, высокая температура плавления и пр.
[c.10]

Заметим, что часто работой выхода называют величину
[c.62]

Рис. 2.22. Значения потенциалов ионизации / и работы выхода 2 различных элементов в функции их атомного номера Рис. 2.22. a href=

Однако с увеличением Ua ток продолжает расти и дальше. Это происходит в связи с уменьшением работы выхода. На рис. 2.24 кривая а, асимптотически приближающаяся к уровню АА, показывает изменение потенциальной энергии электрона в отсутствие внешнего поля, т. е. обычный потенциальный барьер металла. Линия Ь характеризует изменение энергии во внешнем ускоряющем однородном поле. Когда накладываются оба поля, форма потенциального барьера изобразится кривой с, представляющей собой сумму кривых а к Ь.
[c.64]
Изменение работы выхода электронов Дш под действием внешнего поля называется эффектом Шоттки. Вычисление его влияния показывает, что работа выхода при наличии ускоряющего поля Фе будет равна
[c.65]

Подставим значение заряда электрона шение работы выхода
[c.65]

Поверхности сварочных электродов обычно покрыты твердыми и жидкими оксидами, пленками шлака и т. д., которые сильно влияют на работу выхода ф и величину А  [c.67]

Эмиссионная пятнистость. Эмиссионные свойства поверхности всякого катода (термо-, авто- и фотоэлектронного) неодинаковы. На ней существуют участки с различной работой выхода электронов.

Различие плотности тока в отдельных участках катода, особенно при низких температурах, доходит до такой степени, что практически весь эмиссионный ток течет только через участки с наименьшей работой выхода.

Это явление, заметное и у чистых металлов, но особенно резко выраженное у пленочных катодов, называют эмиссионной пятнистостью.
[c.68]

Дуги с неплавящимся (тугоплавким) катодом. Если катод сварочной дуги выполнен из материала с высокими температурами плавления и кипения (для вольфрама 7 = 3650 К, = 5645…

6000 К для угля Т возг = 4470 К), то он может быть нагрет до столь высокой температуры, при которой основная часть катодного тока обеспечивается термоэлектронной эмиссией.

Учитывая, что торированный W-катод представляет собой пленочный катод, а примеси из столба дуги (если изделие, например, алюминиевый сплав) могут также снизить работу выхода, то расчетные значения плотности тока могут быть такими, как в приведенном ниже примере (цифры для простоты расчета взяты округленно).
[c.71]

Баланс энергии дуги. Как для катодной, так и для анодной областей дуги можно составить подробную схему баланса энергии.

Например, для участка анода основные составляющие баланса следующие в) приход — потенциальная и кинетическая энергия электронов, конвективная и лучистая теплопередача от столба плазмы б) расход — плавление, излучение и теплоотвод в материал анода.

Однако механизм явлений в переходных областях дуги пока недостаточно ясен, поэтому проводить точный расчет всех составляющих баланса энергии трудно. В катодной области остается неизвестной доля ионного тока, коэффициент аккомодации энергии ионов для данного катода, изменение работы выхода электронов вследствие эффекта Шоттки и т. п.
[c.74]

Например, увеличивая температуру Т в столбе или работу выхода, тем самым уменьшаем f и увеличиваем долю электронного тока. Если (7 =10 В, ф=4 В, то f = 0,4. Это соответствует W-дуге в аргоне.
[c.75]

По формулам (2.76), (2.77) можно решить и обратную задачу — приближенно оценить тепловыделение на электродах без калориметрирования. Для этого необходимы значения катодного и анодного падений, температуры столба дуги и работы выхода.
[c.75]

Объяснение действия элементов-ионизаторов можно связать с воздействием их на работу выхода катода, поскольку значение Ф тесно связано с потенциалом ионизации.

Пары веществ-ионизаторов попадают в зону катода, понижают его работу выхода, что снижает катодное падение, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в целом.

Анодное падение мало изменяется и составляет в Ме-дугах, как уже отмечалось, 2,5 0,5 В.
[c.94]

Работу выхода электронов из металла и постоянную Планка можно определить, построив график зависимости Уз от частоты падающего света (рис. 15.4). Как видно, tg а =/г/е и отрезок, отсекаемый от оси потенциала, дает Ale.
[c.344]

Читайте также:  Холодная сварка для металла: жидкий и сухой варианты, инструкция по применению и советы

Наличие —работы отрыва связанного электрона от атома внутри неметаллов — объясняется тем, что в отличие от металлов, где имеются свободные электроны, в неметаллах электроны находятся в связанном с атомами состоянии.

Очевидно, при падении света на неметаллы часть световой энергии тратится на фотоэффект в атоме— на отрыв электрона от атома, а оставшаяся часть тратится на работу выхода электрона и сообщение электрону кинетической энергии.
[c.

345]

Для освобождения с поверхности тела электрон должен обладать кинетической энергией, превышающей работу выхода А.
[c.301]

Красная граница фотоэффекта в фотонной теории определяется из уравнения Эйнштейна условием равенства энергии фотона работе выхода электрона А  [c.302]

А — работа выхода электрона
[c.339]

Определите красную границу фотоэффекта для металла с работой выхода 2 эВ.
[c.340]

Найдите максимальную скорость электронов, освобождаемых при фотоэффекте светом с Длиной волны 4-10 м с поверхности материала с работой выхода 1,9 эВ.
[c.340]

Определите работу выхода электрона с поверхности фотокатода и красную границу фотоэффекта, если при облучении фотоэлемента светом с частотой 1,6-10 Гц фототок прекращается при запирающем напряжении 4,1 В.
[c.341]

Красная граница фотоэффекта для металла равна 4,5-10 м. Определите работу выхода.
[c.345]

Найдите максимальную скорость фотоэлектронов при освещении поверхности тела из материала с работой выхода 1,9 эВ светом длиной волны 4-10 м.
[c.345]

При какой частоте света, падающего на поверхность тела из металла с работой выхода 2,2 эВ, максимальная скорость фотоэлектронов равна 1000 км/с  [c.345]

Выражение (8.53) находится в полном согласии с данными опыта.

Коэффициент к = hiq действительно является константой, а Fo == A/q должен зависеть от свойств катода, так как работа выхода электрона характеризуется глубиной потенциальной ямы, в которой находится электрон, и определяется свойствами данного металла.

Заметим, что наблюдается совпадение между значением работы выхода, определяемым из результатов опытов по фотоэффекту, и данных, полученных при исследовании термоэлектронной эмиссии — физического процесса, в котором работа выхода играет основную роль.
[c.434]

Это уравнение называют логарифмическим. Соответственно, график, построенный в координатах у — g t + onst) или у — — Ig t (при t > onst) имеет вид прямой линии. Логарифмическое уравнение, впервые полученное Тамманном и Кестером [11], отражает поведение многих металлов (Си, Fe, Zn, Ni, Pb, d, Sn, Mn, Al, Ti, Та) на начальных стадиях окисления.

Вначале справедливость этого уравнения ставилась под сомнение. Были сделаны попытки вывести уравнения на основе предположений о существовании специфических свойств оксидов, таких как наличие диффузионных барьеров и градиентов ионной концентрации и других. Эти предположения не получили экспериментального подтверждения.

С другой стороны, было показано, что логарифмическое уравнение можно вывести из условия, 4TQ скорость окисления контролируется переходом электронов из металла в пленку продуктов реакции, причем эта пленка имеет пространственный электрический заряд во всем своем объеме (7, 12].

Преобладание заряда, обычно отрицательного, в оксидах вблизи поверхности металла, подобно электрическому двойному слою в электролитах, было установлено экспериментально.

Таким образом, любой фактор, изменяющий работу выхода электрона (энергию, необходимую для удаления электрона из металла), например ориентация зерен, изменения кристаллической решетки или магнитные превращения (точка Кюри), изменяет скорость окисления, что и наблюдалось в действительности [13—15.

Когда толщина пленки превышает толщину пространственно-заряженного слоя, определяющим фактором обычно становится скорость диффузии или миграции сквозь пленку. При этом начинает выполняться параболический закон, и ориентация зерен или точка Кюри перестают оказывать влияние на скорость окисления. Исходя из этого, можно сказать, что в начальной стадии оксидная пленка на металлах
[c.193]

Для электронно-лучевых катодов иногда используют покрытия с оксидами щелочноземельных элементов и применяют неметаллические материалы, например ТНОг, лантанборид LaBe и др. Они имеют самую низкую работу выхода (до 1,0…1,2 эВ) и высокую эмиссионную способность при меньших температурах нагрева, чем для катодов из чистого вольфрама.
[c.68]

В связи с разными условиями существования дуги на электродах (различие в работах выхода ф1 и ф2, разные температуры пл и 7 киг,. разные формы электродов и разный теплоотвод от них) возможна асимметрия токов и напряжений в разные полуперио-ды горения дуги — так называемый вентильный эффект (рис. 2.46).
[c.91]

Работа выхода 62, 64, 65 Разделение зарядов 52 Разделительная резка 384 Рамзауэра кривая 42
[c.554]

Интервал времени т, в течение которого электрон может накопить энергию, необходимую для Boei o освобождения, можно определить, разделив работу выхода на значение энергии, приобретаемой электроном в единицу времени от электромагнитного поля.
[c.301]

Найдите максимальную кинетическую энергию фютоэлект-ронов, освобождаемых с поверхности тела, из материала с работой выхода 2 эВ при освещении светом длиной волны 3,5-10 м.
[c.345]

Как показал Эйнштейн, эти противоречия снимаются, если явления рассматривать с позиций квантовой теории. В этом случае нужно записать закон сохранения энергии для элементарного процесса, заключающегося во взаимодействии одного кванта света с веществом, сводящегося к передаче электрону дискретного количества энергии.

При этом нужно учесть, что электрон в металле не является свободным и, чтобы покинуть тело металла, электрон должен преодолеть работу выхода А. При учете этих физически ясных условий легко записат . уравнение, описывающее процесс поглоп1ения одного кванта и возникновения. электрона С наибольшей скоростью  [c.

433]

Р р°р±рѕс‚р° ріс‹с…рѕрґр° сќр»рµрєс‚сђрѕрѕрѕрі рёр· рјрµс‚р°р»р»р°

| на главную | доп. материалы | физика как наука и предмет | электричество и электромагнетизм |


Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл.

Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум.

Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. Укажем две вероятные причины появления работы выхода:

1.

Если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.

2.

Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого быстро убывает с расстоянием. Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10–10—10–9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла.

Таким образом, электрон при вылете из металла должен преодолеть задержива­ющее его электрическое поле двойного слоя.

Разность потенциалов
Dj в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода (А)электрона из металла:

где е — заряд электрона.

Так как вне двойного слоя электрическое поле отсутствует, то потенциал среды равен нулю, а внутри металла потенциал положителен и равен Dj.

Потенциальная энергия свободного электрона внутри металла равна —еDj и является относительно вакуума отрицательной.

�сходя из этого можно считать, что весь объем металла для электронов проводимости представляет потенциальную яму с плоским дном, глубина которой равна работе выхода А.

Отношения работ выхода электронов для металлов

Работа выхода выражается РІ электрон-вольтах (СЌР’): 1 СЌР’ равен работе, соверша­емой силами поля РїСЂРё перемещении элементарного электрического заряда (заряда, равного заряду электрона) РїСЂРё прохождении РёРј разности потенциалов РІ 1 Р’. Так как заряд электрона равен 1,6×10–19 РљР», то 1 СЌР’= 1,6×10–19 Дж.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверх­ности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт (например, у калия A = 2,2 эВ, у платины A=6,3 эВ).

Подобрав определенным образом покрытие поверх­ности, можно значительно уменьшить работу выхода.

Например, если нанести на поверхность вольфрама (А = 4,5 эВ) слой оксида щелочно-земельного металла (Са, Sr, Ва), то работа выхода снижается до 2 эВ.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector