Sự phát xạ nhiệt electron là gì

Phát xạ nhiệt điện tử là gì? Là sự phát xạ của điện tử từ kim loại hay vật thể được đốt nóng. Hiện tượng đầu tiên được quan sát năm 1873 bởi Frederick Guthrie. Khi ông đang nghiên cứu các vật thể mang điện tích, ông phát hiện ra rằng các quả cầu sắt mang điện tích dương khi nung đỏ sẽ mất bớt điện tích. Ông cũng tìm thấy hiện tượng tương tự đối với các quả cầu mang điện tích âm

Hay nói nôm na là:Sự phát xạ của các electron từ một chất được nung nóng gọi là sự phát xạ nhiệt điện tử

1.1 Phát hiện đầu tiên:

Hiện tượng đầu tiên được quan sát năm 1873 bởi Frederick Guthrie. Khi ông đang nghiên cứu các vật thể mang điện tích , ông phát hiện ra rằng các quả cầu sắt mang điện tích dương khi nung đỏ sẽ mất bớt điện tích. Ông cũng tìm thấy hiện tượng tương tự đối với các quả cầu mang điện tích âm.

1.2 Hiệu ứng Edison:

Ngày 13-02-1880, Thomas Edison là người đầu tiên quan sát được sự bức xạ electron của một sợi dây tóc bóng đèn đật trong chân không [Hình 1.1].

Edison cũng đã thiết lập một vài thí nghiệm với các bóng đèn, sợi dây tóc bóng đèn, các tấm kim loại và các lá kim loại. Thí nghiệm được xây dựng gồm một sợi dây tóc bóng đèn và một lá kim loại. Khi lá kim loại được được nối điện âm còn dây tóc nối điện dương thì hoàn toàn không có dòng electron. Ông cũng phát hiện ra rằng dòng phát xạ tăng khi ông tăng hiệu điện thế. Và hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Edison.

1.3 Định luật Richardson:

Theo sau Thomas Edison là Owen Willans Richardson, nhà vật lý người anh, ông cũng bắt đầu nghiên cứu hiện tượng phát xạ nhiệt và đưa ra định luật phát xạ nhiệt mang chính tên ông. Ông đã nhận giải Nobel và năm 1928 cho công trình này.

1.4 Lực ảnh điện của Schottky:

Trong nhiều công trình quan trong của Schoottky về hiện tượng phát xạ nhiệt, công trình quan trọng nhất là ông nhận thấy có một lực ảnh điện tại bề mặt ngăn cản electron bức ra khỏi bề mặt.

Tuy nhiên biểu thức trên chỉ đúng với khoảng cách x rất lớn so với khoảng

cách giữa 2 nguyên tử, vì khi đó mới có thể coi bề mặt kim loại l à đồng nhất.

1.5 Sự tăng cường dòng phát xạ khi có điện trường ngoài [hiệu ứng Schottky]:

Trong các thiết bị phát xạ electronm đặc biệt l à súng electron, để tăng dòng electron phát xạ ta áp một điện trường mạnh khoảng 108 V.m-1. Trường này sẽ cung cấp cho electron thêm năng lượng W để vượt qua rào thế tại bề mặt. Hay nói cách khác là giảm rào thế tại bề mặt đi một lượng W. Khi đó phương trình Richardson được viết lại:

1.6 Định luật Child-Langmuir về điện tích không gian:

Khi một kim loại được đặt trong chân không và nung nóng ở nhiệt độ cao để tạo ra dòng phát xạ. Khi phát xạ sẽ tạo ra tr ên bề mặt cathode một vùng mang điện tích âm, vùng điện tích âm này sẽ cảm ứng các điện tích dương trên bề mặt kim loại tạo thành một điện trường có tác dụng ngăn cản các electron bức ra khỏi bề mặt kim loại. Khi dòng electron bức xạ càng lớn thì trường tạo ra do điện tích không gian càng lớn, đến một lúc nào đó thì dòng phát xạ sẽ bão hòa.

2 LÝ THUYẾT

2.1 Lực ảnh điện của Schottky:
Mỗi cm3 kim loại thường chứa khoảng 1023 điện tử tự do chuyển động bên trong nó, do vậy chúng liên tục đập lên bề mặt kim loại, nhưng chúng không thể thoát khỏi kim loại. Điều đó chứng tỏ có một lực cản tác động ngăn cản điện tử thoát khỏi kim loại.

Theo Schottky, dựa vào lực tĩnh điện, ông giải thích rằng khi kim loại nằm cách bề mặt một khoảng cách x th ì nó sẽ bị tác động bỏi một lực ảnh điện đ ược xác định bởi công thức:

Nếu những điện tử nhanh trong kim loại một cách gần đúng có thể xem l à tự do thì gần bề mặt khi chúng bay ra khỏi lớp giới hạn biên của nút mạng tinh thể sẽ bị hút làm chúng quay trở lại vào trong kim loại. Quá trình bay ra bay vào của điện tử cũng xảy ra ngay cả ở nhiệt độ 0[K] v ì lúc này điện tử vẫn chuyển động trong kim loại.

Như vậy, trên biên kim loại sẽ thành lập 2 lớp điện, 2 lớp này sẽ tạo ra một lực điện trường ngăn cản điện tử bay ra khỏi kim loại.

Schottky giả thuyết hai lớp điện tử đó nh ư một tụ điện phẳng đặt cách nhau một khoảng cách a. Khi đó, cường độ trường trong khoảng từ 0 đến a có thể xem như là không đổi

Để thoát khỏi kim loại, điện tử phải thực hiện một công bằng:

Đại lượng W0 đặc trưng cho độ cao toàn phần của hàng rào thế năng của điệntử trên bề mặt kim loại và được gọi là công thoát toàn phần của điện tử.

Chỉ có những điện tử nào có động năng vượt qua rào thế trên mới có thể thoátkhỏi kim loại, tức là:

Một số kim loại như kiềm, natri, v.v. cần rất ít năng lượng để di chuyển các electron khỏi bề mặt của chúng.Hay có thể nói chức năng làm việc của chúng rất ít.Khi năng lượng ánh sáng tới bề mặt của kim loại đó, các electron được cung cấp năng lượng và bắt đầu phát ra.Các electron phát ra theo cách này được gọi là quang điện tử.Và dòng điện gây ra bởi các quang điện tử được gọi là dòng quang điện.

Số lượng các electron phát ra phụ thuộc vào cường độ ánh sáng rơi trên bề mặt và tần số của các bức xạ của chúng.Tính chất này của kim loại cũng được sử dụng để đo cường độ ánh sáng tới trên bề mặt.

Xét hình bên dưới cho thấy hiện tượng phát xạ quang điện.Bộ phát và cực dương được bao bọc trong ống thủy tinh đã hút chân không G. Cực dương được làm bằng kim loại mỏng và được giữ ở điện thế dương liên quan đến bộ phát.Khi ánh sáng tới trên bề mặt kim loại thì các êlectron bắt đầu phóng ra khỏi bề mặt phát xạ.Các êlectron chuyển động về phía cực dương và xác lập dòng điện ở mạch ngoài.Dòng electron được duy trì cho đến khi tiếp tục chiếu sáng.

Năng lượng của các photon tới bề mặt phụ thuộc vào tần số của ánh sáng và được biểu thị bằng:

trong đó h là hằng số của tấm ván và giá trị của chúng bằng 6,626Χ10-34joule-giây, f thể hiện tần số ánh sáng trong hertz.

Năng lượng cần thiết để phát ra các electron = eΦ

Trong đó điện tích của e electron và φ hàm làm việc của electron tính bằng vôn.

Do đó, các photon gây ra sự phát xạ được cho bởi biểu thức

Mức năng lượng tối thiểu gây ra phát xạ quang điện được gọi là tần số ngưỡng

.Và nó được thể hiện dưới dạng,

Trong đó c là vận tốc ánh sáng và giá trị của chúng bằng 3 Χ 108m / s.

Các phương trình cho bước sóng của tần số ngưỡng,

Nếu bức xạ càng cao thì phương trình trên, hiện tượng phát xạ quang điện chỉ xảy ra khi độ lớn của bước sóng lớn hơn phương trình trên.Mối quan hệ năng lượng trở thành,

Coi, hiệu điện thế V làm giảm vận tốc của các electron phát ra và trong trường hợp đó,

Hiện tượng phát xạ quang điện sử dụng trong các ống quang và ống đó được sử dụng trong âm thanh TV và Phim ảnh.

Định luật phát xạ quang điện

• Sự phát xạ êlectron ra khỏi bề mặt kim loại chỉ được thực hiện khi có đủ năng lượng tới bề mặt của chúng.
• Số electron phát ra trong một giây tỷ lệ thuận với lượng ánh sáng tới trên bề mặt.
• Năng lượng của các electron phát ra không phụ thuộc vào lượng của các photon tới trên bề mặt và nó phụ thuộc vào tần số của thông lượng ánh sáng.

Lưu ý:Nếu các êlectron phát ra từ bề mặt kim loại vì bị đốt nóng thì quá trình này được gọi là sự phát xạ nhiệt điện.