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

1802. Виховний захід. Свято Миколая 23.89 KB
  Розширити і поглибити знання учнів про народні св′ята, особливо про Миколая. Виховувати в учнів повагу до українських звичаїв та традиції та до спадщини українського народу.
1803. Виховна бесіда: Дезертирство з життя 88.5 KB
  Розкрити значення і цінність життя людини. Формувати уміння бачити в життєвих негараздах лише тимчасові труднощі і бажання долати їх.
1804. Харчування - запорука здорового життя 60.81 KB
  Обговорити правила культури харчування, провести дискусію на дану тему, акцентуючи увагу на зв’язок між здоров’ям і харчуванням, розширювати знання учнів про ГМЇ та ГМО, харчові добавки, розвивати і зміцнювати в учнів естетичні смаки, повагу до традицій і звичаїв української кухні.
1805. Виховна година: Дисципліна та правопорядок. 23.52 KB
  Формування в учнів здатність до самоконтролю, поваги до моралі і правопорядку. Учись бачити себе збоку, постійно звіряй свої вчинки з моральними та правовими нормами. Вивчи і сприймати серцем Заповіді Божі, у них — твій порятунок, джерело духовного зростання.
1806. Щоб не марно в світі жити - треба вчитися дружити 25.38 KB
  Учити дітей сприймати різні життєві ситуації, аналізувати їх і знаходити шляхи виходу з них, виховувати у дітей правильне ставлення до таких понять, як друг, дружба, розвивати в учнів загальнолюдські чесноти.
1807. Виховна година: Ходить осінь гаєм 41.5 KB
  Узагальнити знання прикмет осені, особливостей кожного осіннього місяця. Розвивати артистичні здібності дітей, їх мовлення, логічне мислення. Виховувати любов до природи, свідому дисципліну, колективізм.
1808. Виховна година: Чорнобиль не має минулого 23.52 KB
  Розширити знання дітей про Чорнобильську трагедію, наголосити про потенційну небезпеку радіації для усього живого, розповісти про ліквідаторів аварії на Чорнобильській АЕС, показати, що чужої біди немає. Вчити застосовувати у повсякденному житті елементарні радіаційно-гігієнічні навички. Виховувати любов до рідного краю, природи; виховувати у дітей людяність, доброту та згуртованість.
1809. Виводимо формулу щастя та успіху 46.5 KB
  Узагальнити поняття про складові успіху; про індивідуальність щастя для кожної особистості, дати можливість учням упевнитися, що щастя, життєвий успіх залежить від власних зусиль, від вміння відчувати гармонію в собі; сприяти розвиткові чітких життєвих орієнтирів, формуванню правильної самооцінки.
1810. Виховний захід. У світі тварин 27.63 KB
  Розширити і уточнити знання дітей про тварин та середовище їх існування. Розвивати пізнавальний інтерес учнів, спостережливість, уважність, пам’ять, уяву, кмітливість, логічне мислення, вміння спостерігати за тваринами, описувати зовнішній вигляд тварин, виховувати розумне бережливе ставлення до природи, дружні взаємовідносини під час гри, дбайливе ставлення до тварин, чуйність, доброту, милосердя.