Вимірювання роботи виходу електронів методом Кельвіна
Курсовой проект - Компьютеры, программирование
Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование
?олання потенціального барєра W метал-вакуум високоенергетичним електронам, які знаходяться на рівні енергії Фермі, потрібно надати додаткову енергію W ?F. Ця різниця між висотою потенціального барєра W та енергією Фермі ?F називається роботою виходу електрона:
A = W ?F = е? (1.2)
Робота виходу записується тут як е?, де ? потенціал електричного поля, що заважає виходу електрона з металу; походження його розглядалось вище.
Величина роботи виходу різна для різних матеріалів. Для здійснення емісії електронів додаткова енергія може бути надана різними способами:
- при зовнішньому фотоефекті за рахунок енергії світлових квантів, що поглинаються електронами;
- при вторинній електронній емісії за рахунок електронів та іонів, що вдаряються об поверхню матеріалу та потрапляють всередину його.
При термоелектронній емісії ця енергія передається електронами за рахунок теплової енергії тіла. Зі збільшення температури змінюється характер розподілу електронів за енергією (рис.1б). При достатньо високій температурі зявляється певна кількість електронів в енергетичних станах, енергія яких перевищує висоту барєра (рис.1б). Ці електрони можуть взяти участь в емісії (на рис.1б ці електрони „заштриховані”).
2. Методи виміру роботи виходу електронів
Відомі численні способи визначення роботи виходу електрона, засновані на таких фізичних явищах, як:
термоелектронна емісія;
фотоефект;
холодна емісія;
поверхнева іонізація;
контактна різниця потенціалів.
До недоліків вищенаведених способів визначення роботи виходу електронів з матеріалів можна віднести достатню апаратну складність самих установок, а також технологічну складність і тривалість проведення робіт. Складність робіт витікає з самих фізичних ефектів і відомих теоретичних передумов, на яких вони засновані.
2.1 Вимірювання роботи виходу електронів по величині густини струму термоеміссії
Якщо зміряти струм емісії Iа електронної лампи при насиченні (в цьому випадку всі електрони, що вийшли з металу беруть участь в анодному струмі), то по величині площі S поверхні нитки катода можна обчислити густину струму емісії:
?=Iа/S. (2.1)
Температура нитки рожарювання теж може бути встановлена експериментально. Тоді за допомогою закону Річардсона - Дешмана може бути обчислениа робота виходу А. Для зручності розрахунку використовують залежність від .
Розділивши рівність (2.1.) на Т, після логарифмування отримаємо:
(2.2)
З формули (2.2) виходить:
(2.3)
Якщо вимірюється в А/м2, постійна Больцмана в Дж/К, то значення А будуе в джоулях. Для перекладу джоуля в електрон-вольти використовується співвідношення: 1эВ=1,610-19 Дж.
Температуру рожарення катода можна встановити за допомогою залежності температури розжарення Т від величини ?=Р/ld. Тут Р - потужність струму нитки розжарення; l - довжина нитки; d - діаметр нитки.
Р=IрUр (2.4)
де Iр - струм розжарення; Uр - напруга розжарення.
Величини Ia Iр Uр вимірюються по приладах, як показано на рис. 2.
Рис.2. Установка для вимірювання роботи виходу електронів по величині густини струму термоеміссії
2.2 Вимірювання роботи виходу електронів за допомогою явища фотоефекту
Фотоефектом називається звільнення (повне або часткове) електрона від звязків з атомами і молекулами речовини під дією світла (звичайного, інфрачервоного, ультрафіолетового). Якщо електрони виходять за межі освітлюваної речовини (повне звільнення), то фотоефект називається зовнішнім (відкритий в 1887 році Герцем і детально досліджений в 1888 році А.Г. Столетовим). Якщо ж електрони не тільки втрачають звязок зі своїми атомами і молекулами, але і залишаються всередині освітлюваної речовини як вільні електрони (часткове звільнення), збільшуючи тим самим електропровідність речовини, то фотоефект називається внутрішнім (відкритий в 1873 році У.Смитом). Зовнішній фотоефект спостерігається у металів. На Рис. 3 приведена схема, за допомогою якої можна спостерігати зовнішній фотоефект.
Рис.3. Установка для вимірювання роботи виходу електронів за допомогою явища фотоефекту.
Із третього закону фотоефекту (для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає) випливае поняття червона межа фотоефекту (оскільки це порогове значення завжди ближче до червого світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту).
Зрозуміло, що червона межа фотоефекту існує завдяки притягуванню електронів до ядер. Разом з тим, останній закон не можна пояснити на основі уявлення про світло як неперервні плавні коливання у вакуумі-ефірі: такі хвилі мали довго розгойдувати електрони до того моменту, коли швидкість останніх стала б достатньою для відриву від металу.
Повне пояснення фотоефекту належить А.Ейншейну, який використав ідею німецького фізика М.Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями - квантами (або інша назва фотони). Для обчислення енергії кванта світла М.Планк запропонував просту формулу
?= h?.(2.5)
А. Ейнштейн висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання фотоном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участь у цьому процесі. Тоді енергі?/p>