19218

Поверхностная ионизация. Формула Саха-Ленгмюра. Температурная зависимость плотности тока положительной ионизации

Лекция

Физика

Лекция № 14. Поверхностная ионизация. Формула СахаЛенгмюра. Температурная зависимость плотности тока положительной ионизации. Термодинамичсекий вывод формулы СахаЛенгмюра. Термодинамичсекий вывод формулы СахаЛенгмюра. Отрицательная поверхностная ионизация. XIV...

Русский

2013-07-11

217 KB

45 чел.

Лекция № 14.

Поверхностная ионизация. Формула Саха-Ленгмюра. Температурная зависимость плотности тока положительной ионизации. Термодинамичсекий вывод формулы Саха-Ленгмюра. Термодинамичсекий вывод формулы Саха-Ленгмюра. Отрицательная поверхностная ионизация.

XIV. Поверхностная  ионизация

При попадании потока атомов или молекул на поверхность нагретого до высокой температуры металла некоторая их часть покинет поверхность в виде тех же нейтральных частиц, но будет некоторое количество покидающих поверхность в виде положительных или отрицательных ионов. Явление ионизации на поверхности раскаленного металла получило название поверхностной ионизации – положительной и отрицательной соответственно. Впервые положительную поверхностную ионизацию атомов на вольфраме наблюдали в 1923г. Ленгмюр и Кингдон. Поверхностная ионизация отличается от неравновесных процессов эмиссии ионов с поверхности, вызванных воздействием быстрых нейтральных частиц (нейтрал-ионнная эмиссия), электронов (электрон-ионная эмиссия), фотонов (фотодесорбция ионов) тем, что адсорбированные на поверхности из газовой фазы атомы (адатомы) приходят к термическому равновесию с металлом, так что испарение происходит за счет теплового возбуждения. Поверхностная ионизация характеризуется двумя параметрами: - степень ионизации, - коэффициент ионизации, где и - плотности потока испаряющихся частиц в виде ионов и атомов соответственно, в стационаре , где - плотность потока падающих частиц. Из кинетической теории газов , где и - давление и температура газа, - плотность частиц. Степень поверхностной ионизации определяется формулой Саха-Ленгмюра: , где - отношение статистических весов ионного и атомного состояния ионизующихся частиц, - работа выхода металла, на котором происходит ионизация атомов, - потенциал ионизации.

Температурная зависимость плотности тока положительной ионизации.

С целью проверки формулы Саха-Ленгмюра многими исследователями экспериментально изучалась температурная зависимость плотности ионного тока.

Если и , это соответствует легко ионизуемым элементам (например, на ).

не зависит от температуры.

Если и (например, на ), при росте  уменьшается, следовательно, и

При  (например, на ), , , . С ростом  .

 

Термодинамичсекий вывод формулы Саха-Ленгмюра.

Рассмотрим систему газ-металл в равновесии, т.е. потоки частиц (ионов, атомов, электронов) на стенку и со стенки равны, и температура газа и металла равна . Запишем равенство потоков электронов. Плотность приходящего потока электронов , где - средняя скорость электронов в газе, - средний коэффициент отражения от стенки, - плотность электронов.

Плотность уходящего потока электронов равна плотности тока термоэмиссии: , где - универсальная постоянная Ричардсона, потому что эмиссия частиц возникает не в результате действия падающих на стенку частиц, а в результате теплового возбуждения на поверхности разогретого металла. Приравниваем , получим . Используя известное в термодинамике выражение для константы равновесия процесса : , и подставляя в него выражение для , получим: , .

Учитывая равенство масс и средних скоростей атомов и ионов, получим: .

Данное соотношение выполняется только в непосредственной близи около поверхности, при удалении от поверхности на расстояние большее нескольких радиусов Дебая устанавливается равенство .

Экспериментальная проверка этих зависимостей подтвердила верность соотношения Саха-Ленгмюра.

Статистический вывод формулы Саха-Ленгмюра.

Согласно теории Зоммерфельда электроны в металле находятся в потенциальной яме глубины , валентный электрон адсорбированного атома (адатома) так же находится в потенциальной яме. Ширина потенциального барьера на границе металл-адатом конечного размера, и электроны металла и адатомов за счет туннельного эффекта могут преодолевать его, при этом адатом может находиться на поверхности не только в нейтральном состоянии, но и в состоянии частичной ионизации. Адатом и металл образуют единую систему, их электроны принадлежат всей системе в целом, так что электронные облака распределяются как в объеме металла, так и в объеме адатома. Таким образом, энергетический уровень валентно электрона  расплывается и изменяется, так что энергия наиболее вероятного нахождения электронов в адатоме отличается от  и лежит немного выше. Поэтому если -, то адатом заряжен отрицательно, если - положительно. Расширение и изменение уровня валентного электрона при приближении атома к поверхности происходит только если он находится на уровне зоны проводимости металла. Если он расположен ниже дна зоны проводимости, то расширения не происходит  ион остается дискретным на любом расстоянии от поверхности, при этом электрон будет принадлежать только адатому, и адатом будет нейтральным. При удалении адатома от поверхности ширина потенциального барьера увеличивается, обмен электронами между металлом и адатомом затрудняется, электроны металла стягиваются внутрь металла, валентный электрон адатома локализуется на дискретном уровне. Вероятность обмена электронами практически прекращается на некотором расстоянии . Энергия локализации электрона , вероятность нахождения электрона на уровне  по статистике Ферми:  . Вероятность того, что этот уровнеь не занят, т.е. вероятность того, что на расстоянии будет находиться ион, равна: . Следовательно, отношение этих вероятностей дает отношение числа ионов к числу нейтралов на расстоянии : . При  , получим формулу Саха-Ленгмюра.

В случае наличия сильного внешнего электрического поля, вытягивающего ионы от поверхности эмиттера, степень ионизации растет в соответствии с уменьшением работы испарения иона с поверхности металла. Если провести те же рассуждения, что  ив случае эффекта Шоттки для термоэлектронов, то это уменьшение работы испарения равно , поэтому зависимость степени ионизации от электрического поля имеет вид:

.

Отрицательная поверхностная ионизация.

Некоторые атомы (например, …) могут присоединять к себе электроны, превращаясь в отрицательный ион, на разрушение которого (удалить электрон) требуется работа , называемая сродством электрона к атому. Можно теоретически показать на примере водорода, что отрицательный ион энергетически устойчив. Действительно, при испарении атома с поверхности нагретого металла на некотором критическом расстоянии , так же, как и в случае положительной поверхностной ионизации, возникает локализованный уровень электрона в системе металл-адатом. При дальнейшем удалении адатома когда обмен электронами в системе металл-адатом прекращается, если этот уровень будет занят электронов, то с поверхности эмитируется отрицательный ион, если нет, то атом. Следовательно, для степени отрицательной ионизации мы получим формулу, аналогичную формуле Саха-Ленгмюра:  

.

Как правило, для всех атомов величина , т.е. , т.е.  .

Плотность отрицательного ионного тока .

Экспериментальная проверка этой зависимости в сравнении с положительным поверхностным ионным током затруднена тем, что помимо отрицательных ионов на анод приходят термоэлектроны, и даже в гораздо больших количествах. Лишь применение масс-сепараторов позволяет разделить эти потоки и одновременно измерить плотности тока ионов  и термоэлектронов . Проведенные эксперименты подтвердили данную зависимость.

Измерение угла наклона экспериментальной зависимости  дает возможность экспериментального определения S.

адатом


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25598. Неофрейдизм 60.5 KB
  Эти трудности отразились в судьбе каждого человека. Хорни 1885 1952 выступила с социологизированным вариантом фрейдизма в котором поставила проблему социальной в терминологии Хорни культурной обусловленности формирования характера человека и неврозов. Эти защитные механизмы формируются с детства и становятся той бессознательной основой на которой строятся представления человека о самом себе. При этом задача воспитания сводится к социальной адаптации человека.
25599. Возникновение гуманистической психологии 34 KB
  Возникновение гуманистической психологии. был основан Журнал гуманистической психологии и создана Ассоциация за гуманистическую психологию. состоялась конференция положившая начало гуманистической психологии. Непосредственными предпосылками явились исследования по психологии личности конца 30х гг.
25600. Маслоу и его концепция самоактуализирующейся личности 48 KB
  Маслоу и его концепция самоактуализирующейся личности. Маслоу окончил Висконсинский университет и получил степень доктора психологических наук в 1934 г. Именно этот ученый его личность стиль жизни и творчества навели Маслоу на мысль о самоактуализировавшейся личности. Собственная теория Маслоу которую ученый разработал к 50м годам изложена им в книгах К психологии бытия 1968 Мотивация и личность 1970 и др.
25601. Роджерс и его личностно-ориентировананный подход в психологии и психиатрии 66.5 KB
  Этот мир создаваемый человеком может совпадать или не совпадать с реальной действительностью так как не все предметы в окружении человека осознаются им. Говоря о структуре Я Роджерс пришел к выводу о том что внутренняя сущность человека его Самость выражается в самооценке которая является отражением истинной сути данной личности его Я. Тем не менее уже в раннем возрасте она руководит поведением человека помогая понять и отобрать из окружающего то что присуще именно данному индивиду интересы профессию общение с определенными...
25602. Когнитивное направление в современной зарубежной психологии 51.5 KB
  Когнитивное направление в современной зарубежной психологии Работы Пиаже и Брунера во многом способствовали появлению нового направления появившегося уже в 60х годах XX в. когнитивной психологии. В когнитивной психологии психика рассматривается как система когнитивных реакций и постулируется связь этих реакций не только с внешними стимулами но и с внутренними переменными например с самосознанием когнитивными стратегиями селективностью внимания и т. Серьезное достоинство когнитивной психологии точность и конкретность полученных...
25603. Начало марксистско-ленинской перестройки в отечественной психологии 26.5 KB
  Корнилов 18791957. Используя идею диалектического единства Корнилов надеялся преодолеть как агрессивную односторонность рефлексологии Бехтерева и Павлова она претендовала на единственно приемлемое для материалиста объяснение поведения так и субъективизм интроспективного направления лидером которого в России был Г. Основным элементом психики Корнилов предложил считать реакцию. Став директором бывшего челпановского института Корнилов предложил сотрудникам изучать психические процессы в качестве реакций восприятия памяти воли и т.
25604. Рубенштейн и разработка им философских основ психологии в 30 и в послевоенные годы 27 KB
  Маркса он обосновал принцип единства сознания и деятельности который позволил дать новаторскую трактовку сознания не как внутреннего мира познаваемого субъектом только посредством самонаблюдения а как высшего уровня организации психической деятельности предполагающего включенность личности в контекст ее жизненных связей с объективным миром. Предполагалось что природа сознания является изначально социальной обусловленной общественными отношениями. На основе принципа единства сознания и деятельности Рубинштейном был проведен большой цикл...
25605. Выготский и разработка им культурно исторической концепции развития психики 34.5 KB
  Выготский и разработка им культурно исторической концепции развития психики. Лев Семенович Выготский 18961934. Опираясь на положение Маркса о различии между инстинктом и сознанием Выготский доказывает что благодаря труду происходит удвоение опыта и человек приобретает способность строить дважды: сперва в мыслях потом на деле . Понимая слово как действие сперва речевой комплекс затемречевую реакцию Выготский усматривает в нем особого социокультурного посредника между индивидом и миром.
25606. Концепция деятельности в трудах Леонтьева и его сотрудников 38 KB
  Концепция деятельности в трудах Леонтьева и его сотрудников А. О назвал категории деятельности сознания и личности как наиболее важные для построения непротиворечивой системы психологии как конкретной науки о порождении функционировании и строении психического отражения реальности которая опосредствует жизнь индивидов. Разработанная Леонтьевым общепсихологическая теория деятельности является важнейшим достижением советской психологической науки а сам Леонтьев крупным теоретиком одним из создателей советской психологии. Ha материале...