Измерение работы выхода электронов методом кельвина

Министерство науки и образования Украины ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет физики, электроники и комп " Компьютерная систем Кафедра радиоэлектроники Курсовая работа НА ТЕМУ: «Измерение работы выхода электронов методом Кельвина» Днепропетровск 2009 Реферат В работе описаны, работа выхода электрона, основные принципы измерения работы выхода электрона. Отдельно сконцентрироваться на методе Кельвина. Содержание Введение 1.Работа выхода электронов 1.1Робота выхода электронов из металла 2. Методы измерения работы выхода электронов 2.1 Измерение работы выхода электронов по величине плотности тока термоэмиссия 2.2 Измерение работы выхода электронов с помощью явления фотоэффекта 2.3 Измерение работы выхода электронов через контактную разность потенциалов 2.4 Измерение работы выхода электронов методом динамического конденсатора 2.5Вимирювання работы выхода электронов методом статического конденсатора 2.6Вимирювання работы выхода электронов методом электронного пучка Андерсона 3.Измерение работы выхода электронов методом Кельвина Выводы Список использованных источников Введение Толчком к первым исследований работы выхода послужили две причины. Одна из них — острая потребность электровакуумной промышленности, быстро развивалась, в долговечных и эффективно работающих катодах. Другая причина — возникла в понимании того, что работа выхода является фундаментальным понятием в новой электронной теории металлов и поэтому измерение этой величины в разных условиях позволяет глубже распознать свойства металлов.
публикации учителей

Многие эксперименты, преследующие чисто технологические цели, внесли свой вклад в теорию, тогда как успехи теории быстро находили свое воплощение в промышленном изготовлении электронных приборов. В последние годы, сильно увеличилось необходимость техники в измерении работы выхода. Развитие термоэлектронных устройств прямого преобразования, улучшения параметров фоточувствительных детекторов, потребность в стабильных катодах, работающих при все более высоких давлениях и все более низких температурах, необходимость повышения надежности ионных источников в масс-спектрометрии — вот лишь несколько факторов, которые стимулировали интенсивные исследования работы выхода . Одним из способов измерения работы выхода электрона из материалов является метод Кельвина, основанный на контактной разности потенциалов и динамическом конденсаторе. 1. Работа выхода электронов Работа выхода — наименьшее количество энергии, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы вывести его из твердого тела в вакуум. Работа выхода является характеристикой вещества. Как и любую другую энергетическую характеристику ии можно измерять в джоулях, но это непрактично. Обычно работу выхода принято измерять в электронвольтах (эВ).

    1. Работа выхода электронов из металла
Эмиссия электронов из металла может наблюдаться при определенных условиях. Оставить металл могут свободные электроны, если им предоставить энергию, достаточную для преодоления электрических сил, препятствующих выходу. Возникновение этих сил связано со следующими причинами. Над поверхностью металла постоянно существует облако отрицательного заряда, которая образуется за счет электронов, которые пересекли поверхность металла и удаляются на расстояние порядка постоянной решетки и возвращаются назад. Этот отрицательный заряд над поверхностью металла и положительный заряд поверхностных ионов создают двойной электрический слой, который своим полем задерживает движение электронов от металла. Эл, который вышел за пределы металла, вызывает появление на поверхности образца положительного индуцированного заряда, откуда между электроном и образцом возникает сила притяжения, препятствует удалению электронов. Величину этой силы можно рассчитать по методу зеркальных изображений. Поэтому эту силу называют силой зеркального изображения. Силы зеркального изображения и поле двойного электрического слоя содержат свободный электрон в металле, и работа против этих сил представляет высоту потенциального барьера W, который нужно преодолеть, чтобы электрон имел возможность оставить металл. Таким образом, свободный электрон в металле с энергетической точки зрения находится в потенциальной яме глубиной W относительно вакуума. На рис.1а представлена потенциальная энергия электрона внутри металла, при этом потенциальная энергия электрона в вакууме принимается за ноль отсчета. а) б) Рис.1. Потенциальная яма, в которой находится электрон в металле (а); распределение электронов по энергиям в металле (б) Находясь внутри потенциальной ямы, свободные электроны участвуют в тепловом движении и имеют кинетическую энергию. Распределение электронов по кинетической энергией определяется на основе квантовой статистики свободных электронов в металле. Число свободных электронов с энергией между ε и ε + Е φ при произвольной температуре металла дается соотношением: (1.1) где m — масса электрона, h — постоянная Планка, T — температура, k — постоянная Больцмана, ε F — энергия Ферми. Вид распределения (1.1) представлено на рис.1б. Как видно из Рис.1б, при температуре Т = 0 максимальная кинетическая энергия, которую могут иметь электроны, — энергия Ферми ε F — меньше глубины потенциальной ямы W, поэтому электроны не могут оставить металл. Для преодоления потенциального барьера W металл-вакуум высокоэнергетическим электронам, которые находятся на уровне энергии Ферми, нужно предоставить дополнительную энергию W — ε F. Эта разница между высотой потенциального барьера W и энергией Ферми ε F называется работой выхода электрона A = W — ε F = е φ (1.2) Работа выхода записывается здесь как е φ , Где φ — Потенциал электрического поля, мешает выхода электрона из металла; происхождение его рассматривался выше. Размер работы выхода различна для разных материалов. Для осуществления эмиссии электронов дополнительная энергия может быть предоставлена различными способами: — при внешнем фотоэффекте за счет энергии световых квантов, поглощаемых электронами; — при вторичной электронной эмиссии — за счет электронов и ионов, ударяются о поверхность материала и попадают внутрь его. При термоэлектронной эмиссии эта энергия передается электронами за счет тепловой энергии тела. По увеличению температуры изменяется характер распределения электронов по энергии. При достаточно высокой температуре появляется определенное количество электронов в энергетических состояниях, энергия которых превышает высоту барьера. Эти электроны могут принять участие в эмиссии (на рис.1б эти электроны „ заштрихованы "). 2. Методы измерения работы выхода электронов Известны многочисленные способы определения работы выхода электрона, основанные на таких физических явлениях, как: • термоэлектронная эмиссия; • фотоэффект; • холодная эмиссия; • поверхностная ионизация; • контактная разность потенциалов. К недостаткам вышеприведенных способов определения работы выхода электронов из материалов можно отнести достаточную аппаратную сложность самих установок, а также технологическую сложность и продолжительность проведения работ. Сложность работ вытекает из самих физических эффектов и известных теоретических предпосылок, на которых они основаны. 2.1 Измерение работы выхода электронов по величине плотности тока термоэмиссия Если измерить ток эмиссии Iа электронной лампы при насыщении (в этом случае все электроны, вышедшие из металла участвуют в анодной токе), то по величине площади S поверхности нити катода можно вычислить плотность тока эмиссии