电子发射

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简介

从金属表面释放电子被称为电子发射。原子核位于原子的中心，电子围绕原子核旋转。电子在不同的轨道上运动。第一轨道的电子被强烈地吸引到原子核。然而，最外层轨道的电子被原子核吸引较弱。因此，如果这些电子获得足够的能量，它们就有倾向离开轨道。如果我们以热的形式给予最外层电子这种能量，电子就会吸收它并离开金属表面。

发射

阴极的电子浓度高于辐射的电子束。这可以通过金属中导带电子的浓度变化的事实来验证，其范围为$\mathrm{10^{22}\:到\:10^{23}electrons/cm^{3}}$。因此，从束缚态到自由态的转变使电子密度降低了 8 到 9 个数量级。此外，阴极内电子的热功率很小。

在室温下，铜中费米能级附近的能量分布为$\mathrm{K_{B}T}$或 0.02 eV (3000$\mathrm{^{\circ}K}$)。然而，为了释放这些冷的、受限的电子，阴极必须加热到大约 25000$\mathrm{^{\circ}K}$，这很可能导致产生 0.20 eV 热功率的电子束。总之，电子束发射的简单下限由发射方法的电子温度决定。

由于 (MB) 分布，这种极限发射通常被称为热发射。总之，基本粒子根据其自旋是整数还是$\mathrm{\frac{1}{2}}$整数自旋而被归类为玻色子或费米子。玻色子遵循 MB 统计，而费米子遵循 FD 统计。

• MB 分布适用于可以共享相同能级的任何类型的粒子。

• FD 分布用于每个粒子只有一个能级的粒子，并且不能共享相同的能级。

图 1：电子发射

电子发射的类型

然而，有三种基本的能基于热发射建模的发射过程：1. 热电子发射，2. 光电发射，和 3. 场致发射。

热电子发射

从金属表面释放电子被称为电子发射。在一个原子中，原子核位于中心，电子围绕它旋转。电子围绕许多轨道旋转。第一轨道上的电子被非常强烈地吸引到原子核。然而，最外层轨道的电子被原子核非常微弱地吸引。因此，如果这些电子获得足够的能量，它们就有倾向离开轨道。如果我们以热的形式提供这种能量给最外层的电子，这些电子就会吸收这种能量并离开金属表面。由于获得热能而离开金属表面的这种电子发射被称为热电子发射。

光电发射

Spicer 模型 [Spicer] 的三个步骤可以用来描述金属的光电发射：

• 电子吸收光子

• 表面电子传输

• 突破势垒。

当对阴极施加强大的外部电场时，这会降低肖特基势垒，对于 100 MV/m 的电场，该势垒只有几十个 eV。对于像铜这样的金属阴极，其功函数为 4.6 eV，肖特基效应会显著提高量子效率。

如果步骤 1 中被光子吸收的所有电子都逸出，则可以理解光发射过程。因此，量子效率与被光子激发到势垒以上的电子成正比。由于能量分布，光电发射也随光子能量而变化。在步骤 2 中，电子-电子散射通过电子-声子相互作用在晶格中重新分配能量，而在步骤 3 中，电子-电子散射将能量重新分配到表面。电子-声子相互作用对于半导体阴极很重要，而电子-电子散射对于金属占主导地位。

场致发射

当存在 109 V/m 或更大的极高电场时，就会发生场致发射。电子穿过势垒的量子力学隧穿需要高电场来充分降低势垒，以便获得有用的发射电流。当电子温度超过 1000 摄氏度时，就会发生热场发射。这些类型的发射通常用于热电子射频枪，用于向第三代储存环注入光。低电场和高温 (+100000$\mathrm{^{\circ}K}$) 对电流密度影响最大，后者比环境 (3000$\mathrm{^{\circ}K}$) 温度提高了一个数量级以上。场致发射中的任何显著电流都需要大于 109 伏/米的电场，因为电子产率对外部电场呈指数敏感。为了产生高电场，脉冲高电压与场增强尖锐发射器一起使用。

功函数

这是电子从金属表面逸出所需的最小能量。用$\mathrm{\phi _{0}}$表示。其单位是 eV

$$\mathrm{1eV=1.6\times 10^{-19}J}$$

它取决于金属的性质，即它因金属而异

例如，Na = 2.75 eV

Pt = 5.65 eV

电子发射的用途

• 电灯泡

• 阴极射线管

结论

从金属表面释放电子被称为电子发射。原子核位于原子的中心，电子围绕它运行。电子在不同的轨道上运动。在第一轨道上，电子被强烈地吸引到原子核。另一方面，最外层轨道的电子被原子核吸引较弱。因此，如果它们获得足够的能量，这些电子就有倾向离开轨道。如果我们以热的形式将这种能量施加到最外层的电子，电子就会吸收它并离开金属表面。在本教程中，我们学习了电子发射、电子发射的类型、功函数、电子发射的用途以及一些常见问题。

常见问题

Q1. 哪些因素会影响电子发射？

A1. 电子发射定义为由于温度升高、辐射或强电场而导致电子从表面释放。

Q2. 为什么电子发射不会在室温下发生？

A2. 这些电子在室温下在原子排列中随机运动，但它们不能离开金属表面。普通金属在室温下不会失去电子。这意味着存在一种力阻止电子永久离开金属表面。

Q3. 当电子发射时会发生什么？

A3. 当电子改变能级时，它会损失能量，原子会辐射光子。当电子从较高能级移动到较低能级时，就会发射光子。光子的能量正是电子移动到较低能级时损失的能量。

Q4. 使用金属进行电子发射的优点是什么？

A4. 因为金属中的自由电子缺乏足够的能量离开金属。试图离开金属的松散电子会被原子核的正电吸引回。因此，如果没有足够的能量，自由电子就无法从金属中逸出。

Q5. 快速电子发射是什么？

A5. 场致电子发射是由静电场引起的电子发射。它也称为场发射 (FE) 和电子场发射。