電子發射

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簡介

從金屬表面釋放電子被稱為電子發射。原子核位於原子的中心，電子圍繞原子核旋轉。電子在不同的軌道上運動。第一軌道的電子被強烈地吸引到原子核。然而，最外層軌道的電子被原子核吸引較弱。因此，如果這些電子獲得足夠的能量，它們就有傾向離開軌道。如果我們以熱的形式給予最外層電子這種能量，電子就會吸收它並離開金屬表面。

發射

陰極的電子濃度高於輻射的電子束。這可以透過金屬中導帶電子的濃度變化的事實來驗證，其範圍為$\mathrm{10^{22}\:到\:10^{23}electrons/cm^{3}}$。因此，從束縛態到自由態的轉變使電子密度降低了 8 到 9 個數量級。此外，陰極內電子的熱功率很小。

在室溫下，銅中費米能級附近的能量分佈為$\mathrm{K_{B}T}$或 0.02 eV (3000$\mathrm{^{\circ}K}$)。然而，為了釋放這些冷的、受限的電子，陰極必須加熱到大約 25000$\mathrm{^{\circ}K}$，這很可能導致產生 0.20 eV 熱功率的電子束。總之，電子束髮射的簡單下限由發射方法的電子溫度決定。

由於 (MB) 分佈，這種極限發射通常被稱為熱發射。總之，基本粒子根據其自旋是整數還是$\mathrm{\frac{1}{2}}$整數自旋而被歸類為玻色子或費米子。玻色子遵循 MB 統計，而費米子遵循 FD 統計。

• MB 分佈適用於可以共享相同能級的任何型別的粒子。

• FD 分佈用於每個粒子只有一個能級的粒子，並且不能共享相同的能級。

圖 1：電子發射

電子發射的型別

然而，有三種基本的能基於熱發射建模的發射過程：1. 熱電子發射，2. 光電發射，和 3. 場致發射。

熱電子發射

從金屬表面釋放電子被稱為電子發射。在一個原子中，原子核位於中心，電子圍繞它旋轉。電子圍繞許多軌道旋轉。第一軌道上的電子被非常強烈地吸引到原子核。然而，最外層軌道的電子被原子核非常微弱地吸引。因此，如果這些電子獲得足夠的能量，它們就有傾向離開軌道。如果我們以熱的形式提供這種能量給最外層的電子，這些電子就會吸收這種能量並離開金屬表面。由於獲得熱能而離開金屬表面的這種電子發射被稱為熱電子發射。

光電發射

Spicer 模型 [Spicer] 的三個步驟可以用來描述金屬的光電發射：

• 電子吸收光子

• 表面電子傳輸

• 突破勢壘。

當對陰極施加強大的外部電場時，這會降低肖特基勢壘，對於 100 MV/m 的電場，該勢壘只有幾十個 eV。對於像銅這樣的金屬陰極，其功函式為 4.6 eV，肖特基效應會顯著提高量子效率。

如果步驟 1 中被光子吸收的所有電子都逸出，則可以理解光發射過程。因此，量子效率與被光子激發到勢壘以上的電子成正比。由於能量分佈，光電發射也隨光子能量而變化。在步驟 2 中，電子-電子散射透過電子-聲子相互作用在晶格中重新分配能量，而在步驟 3 中，電子-電子散射將能量重新分配到表面。電子-聲子相互作用對於半導體陰極很重要，而電子-電子散射對於金屬占主導地位。

場致發射

當存在 109 V/m 或更大的極高電場時，就會發生場致發射。電子穿過勢壘的量子力學隧穿需要高電場來充分降低勢壘，以便獲得有用的發射電流。當電子溫度超過 1000 攝氏度時，就會發生熱場發射。這些型別的發射通常用於熱電子射頻槍，用於向第三代儲存環注入光。低電場和高溫 (+100000$\mathrm{^{\circ}K}$) 對電流密度影響最大，後者比環境 (3000$\mathrm{^{\circ}K}$) 溫度提高了一個數量級以上。場致發射中的任何顯著電流都需要大於 109 伏/米的電場，因為電子產率對外部電場呈指數敏感。為了產生高電場，脈衝高電壓與場增強尖銳發射器一起使用。

功函式

這是電子從金屬表面逸出所需的最小能量。用$\mathrm{\phi _{0}}$表示。其單位是 eV

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

它取決於金屬的性質，即它因金屬而異

例如，Na = 2.75 eV

Pt = 5.65 eV

電子發射的用途

• 電燈泡

• 陰極射線管

結論

從金屬表面釋放電子被稱為電子發射。原子核位於原子的中心，電子圍繞它執行。電子在不同的軌道上運動。在第一軌道上，電子被強烈地吸引到原子核。另一方面，最外層軌道的電子被原子核吸引較弱。因此，如果它們獲得足夠的能量，這些電子就有傾向離開軌道。如果我們以熱的形式將這種能量施加到最外層的電子，電子就會吸收它並離開金屬表面。在本教程中，我們學習了電子發射、電子發射的型別、功函式、電子發射的用途以及一些常見問題。

常見問題

Q1. 哪些因素會影響電子發射？

A1. 電子發射定義為由於溫度升高、輻射或強電場而導致電子從表面釋放。

Q2. 為什麼電子發射不會在室溫下發生？

A2. 這些電子在室溫下在原子排列中隨機運動，但它們不能離開金屬表面。普通金屬在室溫下不會失去電子。這意味著存在一種力阻止電子永久離開金屬表面。

Q3. 當電子發射時會發生什麼？

A3. 當電子改變能級時，它會損失能量，原子會輻射光子。當電子從較高能級移動到較低能級時，就會發射光子。光子的能量正是電子移動到較低能級時損失的能量。

Q4. 使用金屬進行電子發射的優點是什麼？

A4. 因為金屬中的自由電子缺乏足夠的能量離開金屬。試圖離開金屬的鬆散電子會被原子核的正電吸引回。因此，如果沒有足夠的能量，自由電子就無法從金屬中逸出。

Q5. 快速電子發射是什麼？

A5. 場致電子發射是由靜電場引起的電子發射。它也稱為場發射 (FE) 和電子場發射。