Źródła elektronów, rodzaje promieniowania elektronowego, przyczyny jonizacji

Aby zrozumieć i wyjaśnić zasadę działania urządzeń elektronicznych, należy odpowiedzieć sobie na pytanie: w jaki sposób rozdzielane są elektrony, odpowiemy w tym artykule.

Według współczesnej teorii atom składa się z jądra, które ma ładunek dodatni i skupia w sobie prawie całą masę atomu oraz ujemnie naładowanych elektronów rozmieszczonych wokół jądra. Atom jako całość jest elektrycznie obojętnydlatego ładunek jądra musi być równy ładunkowi otaczających elektronów.

Ponieważ wszystkie substancje chemiczne składają się z cząsteczek, a cząsteczki składają się z atomów, każda substancja w stanie stałym, ciekłym lub gazowym jest potencjalnym źródłem elektronów. W rzeczywistości wszystkie trzy stany skupienia materii są wykorzystywane w urządzeniach technicznych jako źródło elektronów.

Szczególnie ważnym źródłem elektronów są metale, które zazwyczaj wykorzystuje się do tego celu w postaci drutów lub taśm.

Powstaje pytanie: jeśli taki żarnik zawiera elektrony i jeśli te elektrony są względnie swobodne, to znaczy mogą poruszać się mniej lub bardziej swobodnie wewnątrz metalu (że tak jest w istocie, jesteśmy przekonani, że nawet bardzo mała różnica potencjałów, nałożony na oba końce takiej nici kieruje wzdłuż niej przepływ elektronów), to dlaczego elektrony nie wylatują z metalu i w normalnych warunkach nie tworzą źródła elektronów? Prostą odpowiedź na to pytanie można dać na podstawie elementarnej teorii elektrostatyki.

Załóżmy, że elektrony opuszczają metal. Następnie metal powinien uzyskać ładunek dodatni. Ponieważ ładunki o przeciwnych znakach przyciągają się nawzajem, elektrony będą ponownie przyciągane do metalu, chyba że przeszkodzi temu jakiś wpływ zewnętrzny.

Istnieje kilka sposobów, dzięki którym elektrony w metalu mogą otrzymać wystarczającą ilość energii, aby opuścić metal:

1. Promieniowanie termionowe

Promieniowanie termionowe to emisja elektronów z żarzących się ciał. Promieniowanie termionowe badano w ciałach stałych, a zwłaszcza w metalach i półprzewodnikach w związku z ich zastosowaniem jako materiału na termojonowe katody urządzeń elektronicznych i przetworników ciepła na elektryczność.

Zjawisko utraty ujemnej elektryczności z ciał podgrzanych do temperatury powyżej białego ciepła jest znane od końca XVIII wieku. VV Petrov (1812), Thomas Edison (1889) i inni ustanowili szereg jakościowych praw tego zjawiska. Do lat trzydziestych XX wieku określono główne zależności analityczne między liczbą emitowanych elektronów, temperaturą ciała i funkcją pracy.

Prąd przepływający przez włókno, gdy napięcie jest przyłożone do jego końców, ogrzewa włókno. Kiedy temperatura metalu jest wystarczająco wysoka, elektrony opuszczają powierzchnię metalu i uciekają do otaczającej przestrzeni.

Zastosowany w ten sposób metal nazywany jest katodą termionową, a uwolnienie elektronów w ten sposób nazywane jest promieniowaniem termionowym. Procesy powodujące promieniowanie termionowe są podobne do procesów parowania cząsteczek z powierzchni cieczy.

W obu przypadkach trzeba wykonać pewną pracę, w przypadku cieczy jest to utajone ciepło parowania, równe energii potrzebnej do zmiany jednego grama substancji ze stanu ciekłego w gazowy.

W przypadku promieniowania termojonowego tzw. praca wyjścia to minimalna energia potrzebna do odparowania jednego elektronu z metalu. Wzmacniacze próżniowe używane wcześniej w radiotechnice miały zwykle katody termionowe.

2. Fotoemisja

Działanie światła na powierzchnię różnych materiałów powoduje również uwolnienie elektronów. Energia świetlna jest wykorzystywana do dostarczenia elektronom substancji niezbędnej dodatkowej energii, aby mogły opuścić metal.

Materiał używany jako źródło elektronów w tej metodzie nazywany jest katodą fotowoltaiczną, a proces uwalniania elektronów jest znany jako emisje fotowoltaiczne lub fotoelektronowe… Ten sposób uwalniania elektronów jest podstawą elektrycznego oka — fotokomórka.

3. Emisje wtórne

Kiedy cząstki (elektrony lub jony dodatnie) uderzają w powierzchnię metalu, część energii kinetycznej tych cząstek lub cała ich energia kinetyczna może zostać przeniesiona na jeden lub więcej elektronów metalu, w wyniku czego uzyskują one energię wystarczającą do opuszczenia metal. Proces ten nazywany jest wtórną emisją elektronów.

4. Emisje autoelektroniczne

Jeśli w pobliżu powierzchni metalu istnieje bardzo silne pole elektryczne, może ono odciągać elektrony od metalu. Zjawisko to nazywane jest emisją polową lub emisją zimna.

Rtęć jest jedynym metalem szeroko stosowanym jako katoda emisji polowej (w starych prostownikach rtęciowych). Katody rtęciowe umożliwiają bardzo wysokie gęstości prądu i umożliwiają projektowanie prostowników o mocy do 3000 kW.

Elektrony mogą być również uwalniane z substancji gazowej na kilka sposobów. Proces, w którym atom traci elektron, nazywa się jonizacją.… Atom, który utracił elektron, nazywany jest jonem dodatnim.

Proces jonizacji może zachodzić z następujących powodów:

1. Bombardowanie elektroniczne

Swobodny elektron w lampie wypełnionej gazem może dzięki polu elektrycznemu uzyskać energię wystarczającą do zjonizowania cząsteczki lub atomu gazu. Proces ten może mieć charakter lawinowy, gdyż po wybiciu elektronu z atomu oba elektrony w przyszłości zderzając się z cząstkami gazu mogą uwolnić nowe elektrony.

Elektrony pierwotne można uwolnić z ciała stałego dowolną z omówionych powyżej metod, a rolę ciała stałego może pełnić zarówno powłoka, w której zamknięty jest gaz, jak i dowolna z elektrod znajdujących się wewnątrz lampy.Elektrony pierwotne mogą być również generowane przez promieniowanie fotowoltaiczne.

2. Jonizacja fotoelektryczna

Jeśli gaz jest wystawiony na działanie widzialnego lub niewidzialnego promieniowania, to energia tego promieniowania może być wystarczająca (w przypadku pochłonięcia przez atom) do strącenia części elektronów. Mechanizm ten odgrywa ważną rolę w niektórych typach wyładowań gazowych. Ponadto w gazie może wystąpić efekt fotoelektryczny z powodu emisji wzbudzonych cząstek z samego gazu.

3. Bombardowanie jonami dodatnimi

Jon dodatni uderzający w cząsteczkę gazu obojętnego może uwolnić elektron, tak jak w przypadku bombardowania elektronami.

4. Jonizacja termiczna

Jeśli temperatura gazu jest wystarczająco wysoka, niektóre elektrony tworzące jego cząsteczki mogą uzyskać wystarczającą energię, aby opuścić atomy, do których należą. Zjawisko to jest podobne do promieniowania termoelektrycznego z metalu Ten rodzaj emisji odgrywa rolę tylko w przypadku silnego łuku pod wysokim ciśnieniem.

Największą rolę odgrywa jonizacja gazu w wyniku bombardowania elektronami. Jonizacja fotoelektryczna jest ważna w niektórych typach wyładowań gazowych. Pozostałe procesy są mniej ważne.

Do stosunkowo niedawna urządzenia próżniowe o różnej konstrukcji były używane wszędzie: w technologiach komunikacyjnych (zwłaszcza w łączności radiowej), w radarach, w energetyce, w produkcji instrumentów itp.

Zastosowanie urządzeń elektropróżniowych w energetyce polega na zamianie prądu przemiennego na prąd stały (prostowanie), zamianie prądu stałego na prąd przemienny (odwrócenie), zmianie częstotliwości, regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych, automatycznym sterowaniu napięciem prądu przemiennego i prądnic prądu stałego, załączanie i wyłączanie znacznych mocy w spawalnictwie elektrycznym, sterowanie oświetleniem.

Lampy elektronowe — historia, zasada działania, konstrukcja i zastosowanie

Wykorzystanie oddziaływania promieniowania z elektronami doprowadziło do powstania fotokomórek i gazowo-wyładowczych źródeł światła: neonowych, rtęciowych i fluorescencyjnych. Sterowanie elektroniczne miało ogromne znaczenie w systemach oświetlenia teatralnego i przemysłowego.

Obecnie wszystkie te procesy wykorzystują półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne i są wykorzystywane do oświetlenia Technologia LED.