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

40 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

30768. Основные монтажные процессы 14.75 KB
  1 подготовка элемента к монтажу 2 строповка – крепление к крюку крана 3 подъём перемещение установка в проектное положение 4временное закрепление 5выверка 6окончательное закрепление Подготовка конструкции к монтажу: проверка состояния нанесение осевых рисок на конструкцию и на место установки обустройство конструкции монтажной оснасткой закрепление расчалок распорок навесных лестниц оттяжек монтажное усиление конструкции укрупнительная сборка на земле сооружается блок из отдельных конструктивных элементов уменьшает...
30769. Укрупнительная сборка конструкции. Классификация монтажа по степени укрупнения 14.69 KB
  Укрупнительную сборку конструкций выполняют: на заводеизготовителе когда разделение элементов на блоки вызвано условиями изготовления в целях лучшего использования оборудования или повышения производительности труда; на строительной площадке если целесообразно собрать монтажный блок из нескольких элементов до подъема и полнее использовать грузоподъемность монтажного механизма. Сборке подлежат: стальные фермы больших пролетов поступающие на монтаж в виде двух полуферм; железобетонные и стальные колонны разделенные по высоте на несколько...
30770. Приспособления для выверки и временного закрепления конструкций 14.96 KB
  Приспособления для выверки и временного закрепления конструкций. При монтаже стальных и железобетонных конструкций используют приспособления позволяющие временно удерживать установленный на место элемент и регулировать его положение при выверке и приведении в проектное положение. Одиночные приспособления предназначены для удержания одного элемента групповые одного элемента или нескольких. Расчалки гибкие из канатов монтажные приспособления работающие только на растяжение.
30771. Основные способы строповки конструкций при монтаже. Грузозахватные приспособления 14.25 KB
  Основные способы строповки конструкций при монтаже. Строповка конструкций. Строповкой называют захват конструкций канатом стропом подвешенным к крюку монтажного крана для подъема и установки их в проектное положение. Конструкции стропуют в местах указанных в проекте и обеспечивают подачу конструкций к месту установки в положении соответствующем проекту.
30772. Приспособления для рабочего места и безопасного ведения работ на высоте 15.33 KB
  Приспособления для рабочего места и безопасного ведения работ на высоте. К работам на высоте относятся работы при выполнении которых работник находится на расстоянии менее 2 м от неогражденных перепадов по высоте 13 м и более. Рабочие места и проходы к ним зона А расположенные на перекрытиях покрытиях на высоте более 13 м и на расстоянии менее 2 м от границы перепада по высоте должны быть ограждены предохранительными или страховочными защитными ограждениями а при расстоянии более 2м сигнальными ограждениями соответствующими...
30773. Монтаж конструкций со склада и с транспортных средств 16.96 KB
  Монтаж конструкций со склада и с транспортных средств. Метод монтажа в зависимости от организации подачи элементов на монтаж: А со склада Б с колёс Основным условием доставки конструкций транспортными средствами является комплектная и ритмичная их подача в заданной технологической последовательности строго по часовому расписанному по минутам графику непосредственно к месту установки. Монтаж конструкций с транспортных средств по сравнению с предварительной разгрузкой является наиболее экономичным так как сокращаются затраты на...
30774. Классификация методов монтажа в зависимости от последовательности установки элементов 14.82 KB
  Классификация методов монтажа в зависимости от последовательности установки элементов. При раздельном методе одноименные конструкции монтируют или демонтируют самостоятельными потоками совмещенными во времени. Данный метод монтажа и демонтажа рекомендуется при реконструкции пролетов значительной протяженности небольшой внутренней стесненности обеспечивающей развертывание потока при свободном проходе монтажного крана и главное независимости СМР по реконструкции от основной деятельности предприятия. Комплексный метод связан с...
30775. Классификация методов монтажа по степени ограничения свободы перемещения в пространстве 14.68 KB
  По степени ограничения свободы перемещения элементов: А свободный Б ограничено свободный В принудительный оснастка позволяет перемещаться только в 1 необходимом направлении Свободный монтаж при котором монтируемый элемент без какихлибо ограничений устанавливают в проектное положение при его свободном перемещении. Ограниченносвободный монтаж характеризуется тем что монтируемая конструкция устанавливается в направляющие упоры фиксаторы и другие приспособления частично ограничивающие свободу перемещения конструкции но приводящие к...
30776. Выбор самоходного стрелового крана 19.06 KB
  hо – превышение монтажного горизонта над уровнем стоянки крана hз – запас по высоте для обеспечения безопасности монтажа hэл – высота монтируемого элемента hстр – высота строповки м вылет стрелы А=сlе где расстояние от оси вращения крана до оси крепления стрелы; горизонтальная проекция стрелы длина стрелы L находится по теореме пифагора мы знаем два катета. Зная необходимые характеристики которыми должен обладать кран – поднять необходимую тяжесть с некоторой длинной стрелы. Определяем фактические грузоподьёмность длину...