结构推理 为什么在常温下金属导体不易发射电子?
【正确答案】金属导体中的自由电子不停地进行着不规则的热运动。电子要从金属导体中挣脱出来,必须做一定数量的功W=eU(e是电子的电荷量,U是金属的逸出电势差)。而在通常温度下,金属导体中的自由电子只有极少的一部分具有足够的动能大于逸出功W,能够从金属导体中挣脱出来,绝大部分电子不能逸出金属之外,所以常温下金属导体不易发射电子。当金属导体的温度逐渐升高时,金属导体中的自由电子热运动的动能也逐渐增加,可能有足够数量的电子获得大于逸出功的动能,从而能从金属导体中挣脱出来的电子数随之增多,才出现显著的电子发射,这种发射称为“热电子发射”。
【答案解析】[说明]“热电子发射”有很多的实际应用,目前工业中和生活中广泛应用的各种“热电子源”器件(如大功率微波管、电视机显像管)都是利用高熔点金属针在高温条件下发射出的“热电子”来工作的。例如,电视机显像管(CRT)中阴极电子枪中的钨针上加有电压使金属钨针达到很高的温度,从而可以发射出大量“热电子”,这些电子经过电场加速和磁场扫描偏转后打到阳极荧光屏上产生发光从而实现显示目的。但是这种利用“热电子发射”制备的器件由于需要维持金属材料的高温,因此为了获得电子,器件的热损耗则相当的大,能量利用率不高。与“热电子发射”相对应的有“冷电子发射”,所谓“冷电子发射”原理是利用低逸出功材料中电子较容易从材料中逸出的特点,在温度较低的条件下,通过一定的外电场作用使低逸出功材料中的电子直接从材料中“发射(逸出)”到真空中,从而实现电子的获得。由于这种电子发射是通过外加电场的作用降低材料的势垒高度和势垒厚度,使得材料中的电子通过量子力学中的隧道效应穿过很薄的势垒,进而从材料中进入真空,而不需要将材料加热到高温就可得到电子的发射,因此称其为“冷电子发射”,又称为“场致电子发射”。其最大的特点是能耗小,因此“场致电子发射”是目前被广泛看好的一种代替“热电子发射”的技术。