Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов

Основные положения классической теории электропроводности металлов

Опытные доказательства электронной проводимости металлов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В МЕТАЛЛАХ, ВАКУУМЕ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Электронная теория проводимости металлов была впервые создана в 1900 г. немецким физиком П.Друде и впоследствии разработана нидерландским физиком Х.Лоренцем. Основным ее положением является то, что носителями тока в метал­лах служат свободные электроны. Это подтверждалось рядом классических опытов.

В опыте К.Рикке (1901 г.) электрический ток в течение года пропускался че­рез три последовательно соединенных металлических цилиндра (Cu, A l, Cu) с от­шлифованными торцами одинакового радиуса. Общий заряд, прошедший через ци­линдры, равнялся 3.5×10⁶ Кл. Проведенное после этого взвешивание показало, что вес цилиндров не изменился, также не было обнаружено проникновения одного металла в другой. Следовательно, перенос заряда осуществлялся не ионами, а общими для всех металлов частицами - электронами.

Для подтверждения этого положения необходимо было определить знак и ве­личину удельного заряда q/m (заряда единицы массы) носителей тока. Идея опытов и их качественное воплощение принадлежит российским физикам Л.Мандельштаму и Н.Папалески (1913 г.). Если движущийся поступательно проводник резко остановить, то, подклю­ченный к нему гальванометр зафиксирует кратковременный ток. Это объясняется тем, что носители тока не связаны жестко с кристаллической решеткой и при тор­можении продолжают двигаться по инерции. По направлению тока гальванометра было определено, что знак заряда носителя тока - отрицательный. Согласно численному расчету, удельный заряд носителя тока оказался приблизительно равным удельному заряду электрона. К таким же результатам привели опыты Ч.Стюарта и Т.Толмена (1916 г.), в которых быстрые крутильные колебания катушки, соединенной с чувстви­тельным гальванометром, создавали переменный электрический ток. Таким образом, было доказано, что носителями электрического тока в метал­лах являются свободные электроны.

Свободные электроны - это валентные электроны атомов металла, наиболее слабо связанные с ядрами атомов. Они легко отрываются, переходят от одного атома к другому и являются как бы “обобществленными”. Атомы, оставшиеся без нескольких электроонов ‑ положительные ионы, колеблются около некоторых точек равновесия, называемых узлами кристаллической решетки, и мешают свободному движению электронов.

С позиций классической электронной теории высокая электропроводность металлов обусловлена наличием огромного числа свободных электронов, движение которых подчиняется законам классической механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие их с положительными ионами сводят только к соударениям. Иными словами, электроны проводимости рассматриваются как электронный газ, подобный одноатомному, идеальному газу. Такой электронный газ должен подчи­няться всем законам идеального газа. Следовательно, средняя кинетическая энергия теплового движения электрона будет равна , где - масса электрона, - его среднеквадратичная скорость, k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура. Отсюда при Т=300 К среднеквад­ратичная скорость теплового движения электронов »10⁵ м/с.

Хаотичное тепловое движение электронов не может привести к возникнове­нию электрического тока, но под действием внешнего электрического поля в проводнике возникает упо­рядоченное движение электронов со скоростью . Оценить величину можно из ранее выведенного соотношения , где j - плотность тока, - концентрация электронов, e - заряд электрона. Как по­казывает расчет, »8×10^-4 м/с. Чрезвычайно малое значение величины по сравнению с величиной объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами решетки. Каза­лось бы, полученный результат для противоречит тому факту, что передача электрического сигнала на очень большие расстояния происходит практически мгновенно. Но дело в том, что замыкание электрической цепи влечет за собой распро­странение электрического поля со скоростью 3×10⁸ м/с (скорость света). Поэтому упорядоченное движение электронов со скоростью под действием поля возникнет практически сразу же на всем протяжении цепи, что и обеспечивает мгновенную передачу сиг­нала.

На базе классической электронной теории были выведены рассмотренные выше основные законы электрического тока - законы Ома и Джоуля-Ленца в диф­фе­ренциальной форме и . Кроме того, классическая теория дала качественное объяснение закону Видемана-Франца. В 1853 г. И.Видеман и Ф.Франц установили, что при определенной темпе­ра­туре отношение коэффициента теплопроводности l к удельной проводимости g оди­наково для всех металлов. Закон Видемана-Франца имеет вид , где b - постоянная, не зависящая от природы металла. Классическая электронная теория объясняет и эту закономерность. Электр­оны проводимости, перемещаясь в металле, переносят с собой не только электриче­ский заряд, но и кинетическую энергию беспорядочного теплового движения. Поэтому те метал­лы, кото­рые хорошо проводят электрический ток, являются хорошими проводни­ками тепла. Классическая электронная теория качественно объяснила природу электриче­с­кого сопротивления металлов. Во внешнем поле упорядоченное движение элек­тронов нарушается их соударениями с положительными ионами решетки. Между двумя столкновениями электрон движется ускоренно и приобретает энергию, кото­рую при последующем столкновении отдает иону. Можно считать, что движение электрона в металле происходит с трением, подобным внутреннему трению в газах. Это трение и создает сопротивление металла.

Вместе с тем классическая теория встретилась с су­щественными затруднениями. Перечислим некоторые из них:

1. Несоответствие теории и эксперимента возникло при расчете теплоемко­сти металлов. Согласно кинетической теории молярная теплоемкость металлов должна складываться из теплоемкости атомов и теплоемкости свободных электронов. Так как атомы в твердом теле совершают только колебательные движения, то их молярная теплоемкость равна С=3R (R=8.31 Дж/(моль×К) - молярная газовая постоянная); свободные электроны двигаются только поступательно и их молярная теплоемкость равна С=3/2R. Общая теплоемкость должна быть С»4.5R, но согласно опытным данным С=3R.

2. По расчетам электронной теории, сопротивление R должно быть пропор­цио­нальным , где Т - термодинамическая температура. Согласно опытным дан­ным, R~Т.

3. Полученные опытным путем значения электропроводности g дают для сред­ней длины свободного пробега электронов в металлах величину порядка сотен меж­доузельных расстояний. Это гораздо больше, чем по классической теории.

Расхождение теории с опытом объясняется тем, что движение электронов в ме­талле подчиняется не законам классической механики, а законам квантовой ме­ханики. Достоинством классической электронной теории являются простота, на­глядность и правильность многих качественных ее результатов.

При комнатной температуре практически все свободные электроны находятся внутри металла, так как их удерживает притяжение положительных ионов. Однако отдельные электроны с достаточно большой кинетической энергией могут выйти из металла в окружающее свободное пространство (например, в вакуум). При этом они совершают работу против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникшего в металле после их вылета, и против сил отталкивания от электронов, вылетевших ранее. С ростом Т количество электронов, имеющих достаточную кинетическую энергию и покидающих металл, увеличивается.

Вблизи поверхности возникает «электронное облако», которое вместе с по­верхностным слоем положительных ионов образует двойной электрический слой толщиной 10^-10-10^{-9 м. Поле этого слоя препятствует выходу следующих электронов. Разность потенциалов} Dj слоя называется поверхностным скачком потенциала. Работу, которую должен совершить электрон при выходе из металла, называют ра­бо­той выхода А: . Работу выхода принято измерять в электрон-вольтах (эВ). 1эВ - работа пере­мещения электрона в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1В (1эВ=1.6×10^-19 Дж). Работа выхода электрона зависит от химической природы ме­талла и чистоты его поверхности и не зависит от температуры. Для чистых ме­таллов величина работы порядка нескольких эВ.

В 1797 г. итальянский физик Вольта обнаружил сходное явление и при контакте двух металлов, он установил, что при со­при­косновении двух разнородных металлов между ними возникает разность по­тенциалов, зависящая от их химического состава и температуры (первый за­кон Вольты). Эта разность потенциалов называется контактной.

Рис.3.1.Контакт двух различных ме­таллов.

Для объяснения этого явления рассмотрим контакт двух различных металлов 1 и 2, имеющих работы выхода А₁ и А₂, причем А₁<А₂. Очевидно, что свободным электронам второго металла труднее покинуть его пределы, чем электронам первого металла. Поэтому при хаотическом тепловом движении количество свободных электронов, переходящих из первого ме­талла во второй в единицу времени будет больше, чем из второ­го в первый. В результате этого первый металл зарядится поло­жи­тельно, второй - отрицательно (рис.3.1). Возникающая разность потенциалов создает электрическое поле напряженностью Е, которое затрудняет дальнейший переход электронов из 1 в 2. Передвижение электронов прекратится, когда разность потенциалов поля станет такой величины, что работа по пере­ме­щению электрона внутри поля сравняется с разно­стью работ выхода: или , где е - абсолютная величина заряда электрона. Значение составляет обычно около 1В.

Второй причиной появления контактной разности потенциалов между метал­лами 1 и 2 является различная концентрация в них свободных электронов n₀₁ и n₀₂. Свободные электроны в металле принято рассматривать как электронный газ, кото­рый подобен идеальному газу и подчиняется тем же законам. Давление идеального газа равно:, где - концентрация молекул, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная темпера­тура. Пусть >, тогда р₁>р₂, т.е. давление электронного газа в первом металле больше, чем во втором. Под действием перепада давления электроны будут переходить из первого металла во второй больше, чем в обратном направле­нии. Процесс диффузионного перехода прекратится, когда возникающее электриче­с­кое поле двойного электрического слоя скомпенсирует своим противодействием перепад давления. В результа­те этого первый металл зарядится положительно, второй - отрицательно. Теорети­ческий расчет возникающей разности потенциалов показал, что она зави­сит от концентрации свободных электронов и температуры Т и равна . При комнатной температуре значение имеет порядок 10^-1 В. Таким образом, при контакте двух различных металлов между ними возника­ет контактная разность потенциалов .

На основании опытных данных Вольтой был установлен второй закон: раз­ность потенциалов на концах разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных проводников, находящихся при одинаковой тем­пературе, равна контактной разности потенциалов, создаваемой концевыми проводниками, и не зависит от промежуточных проводников.Пусть цепь состоит из четырех разнородных проводников, имеющих одинако­вую температуру. Сумма контактных разностей потенциалов соприкасающихся пар будет равна , то есть не зависит от промежуточных проводников 2 и 3.

Контактная электризация тел, т.е. возникновение между телами контактной разности потенциалов, встречается довольно часто и не только у металлов. Напри­мер, ею обусловлена электризация тел в процессе трения. При контакте двух ди­электриков внешние электроны атомов, расположенных у поверхности соприкосно­вения, пере­ходят преимущественно на диэлектрик с меньшей диэлектрической проницаемостью e, то есть на диэлектрик, у которого внешние электроны прочнее связаны со своими атомами. При последующем разделении тел, одно из них (с большим значением e) заряжается по­ложительно, другое - отрицательно. Контактная электризация имеет место в коллоидных растворах: жидкость и взвешенные в ней твердые частицы имеют заряды разного знака. При воздействии на коллоидный раствор электрическим полем, взвешенные частицы начинают дви­гаться вдоль силовых линий поля. Это явление называется электрофорезом. Элек­трофорез широко используется для выделения эмульсий из нефти, очистки фрукто­вых соков, удаления пыли и дыма из воздуха, разделения сложных белковых систем на компо­ненты и т.п.

Контактной электризацией обусловлено и явление электроосмоса: перемеще­ние жидкости в неподвижном пористом теле, помещенном в электрическое поле. Электроосмос применяется для сушки (холодная электросушка) волокнистых и по­ристых веществ, очистки воды, обезвоживания торфа и глины. Контактная разность потенциалов играет важную роль в работе электроваку­ум­ных приборов.

Дата добавления: 2014-01-11