что такое работа выхода электрона физика

Работа выхода. Электрон при обычных температурах не покидает металл, следовательно, в поверхностном слое существует электрическое поле препятствующее выходу электрона из

Электрон при обычных температурах не покидает металл, следовательно, в поверхностном слое существует электрическое поле препятствующее выходу электрона из металла в среду.

Работа выхода – это работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум.

Причины появления работы выхода:

На месте удаленного электрона возникает избыточный положительный заряд, и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду:

§ Создание над поверхностью металла «электронного облака». Это облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора, причем толщина слоя составляет

§ Слой не создает электрическое поле во внешнем пространстве, но препятствует выходу свободных электронов из металла. Следовательно, электрон при вылете из металла должен преодолеть электрическое поле, где разность потенциалов (поверхностный скачок потенциалов) определяется следующим образом:

Работа выхода в 1эВ – это работа, совершаемая силами поля при перемещении элементарного электрического заряда при прохождении им разности потенциалов в 1 В.

Источник

Работа выхода

Работа выхода — разница между минимальной энергией (обычно измеряемой в электрон-вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела, и энергией Ферми. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам (чтобы электрон прошёл весь двойной слой), но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла. При этом пренебрегают дополнительной работой, которую необходимо затратить на преодоление внешних полей, возникающих из-за перераспределения поверхностных зарядов. Таким образом, работа выхода для одного и того же вещества для различных кристаллографических ориентаций поверхности оказывается различной.

При удалении электрона на бесконечность его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела приводит к индуцированию макроскопических поверхностных зарядов (при рассмотрении полубесконечного образца в электростатике это называют «изображением заряда»). При перемещении электрона в поле индуцированного заряда совершается дополнительная работа, которая определяется диэлектрической проницаемостью вещества, геометрией образца и свойствами других поверхностей. За счет этого полная работа по перемещению электрона из любой точки образца в любую другую точку (в том числе и точку бесконечности) не зависит от пути перемещения, то есть от того, через какую поверхность был удален электрон. Поэтому в физике твёрдого тела эта работа не учитывается и не входит в работу выхода.

Содержание

Работа выхода в фотоэффекте

Измерение работы выхода

Единицами измерения работы выхода являются Джоуль (Дж) или электронвольт (эВ).

Работа выхода электрона из различных металлов

Единица измерения: эВ электронвольт
Источник: CRC Handbook of Chemistry and Physics version 2008, стр. 12-114.
Примечание: Работа выхода может зависеть от ориентации освещаемого кристалла. К примеру, Ag: 4.26, Ag(100): 4.64, Ag(110): 4.52, Ag(111): 4.74. Диапазоны изменения работы выхода для типичных кристаллографических направлений указаны в таблице.

4.45

5

3.3

2.59

3.84

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Работа выхода» в других словарях:

РАБОТА ВЫХОДА — энергия Ф, к рую необходимо затратить для удаления эл на из твёрдого или жидкого в ва в вакуум (в состояние с равной нулю кинетич, энергией). Р. в. Ф=еj, где j потенциал Р. в., е абс. величина электрич. заряда электрона. Р. в. равна разности… … Физическая энциклопедия

работа выхода — электрона; работа выхода Работа, соответствующая разности энергий между уровнем химического потенциала в теле и уровнем потенциала вблизи поверхности тела вне его при отсутствии электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

РАБОТА ВЫХОДА — работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и Ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Большой Энциклопедический словарь

РАБОТА ВЫХОДА — РАБОТА ВЫХОДА, энергия, затрачиваемая на удаление электрона из вещества. Учитывается при ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ и в ТЕРМОЭЛЕКТРОНИКЕ … Научно-технический энциклопедический словарь

работа выхода — Энергия, необходимая для переноса в бесконечность электрона, находящегося в исходном положении на уровне Ферми в данном материале. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы … Справочник технического переводчика

работа выхода — [work function] энергия, затрачиваемая на удаление электрона из твердого тела или жидкости в вакуум. Переход электрона из вакуума в конденсированную среду сопровождается выделением энергии, равной работе выхода; чем меньше работа выхода, тем… … Энциклопедический словарь по металлургии

работа выхода — работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из конденсированного вещества в вакуум. Измеряется разностью между минимальной энергией электрона в вакууме и ферми энергией электронов внутри тела. Зависит от состояния поверхности… … Энциклопедический словарь

работа выхода — išlaisvinimo darbas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Darbas, kurį atlieka 1 molis dalelių (atomų, molekulių, elektronų) pereidamas iš vienos fazės į kitą arba į vakuumą. atitikmenys: angl. work function vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

работа выхода — išlaisvinimo darbas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. work function; work of emission; work of exit vok. Ablösearbeit, f; Auslösearbeit, f; Austrittsarbeit, f rus. работа выхода, f pranc. travail de sortie, m … Fizikos terminų žodynas

Источник

Физика. 11 класс

Конспект урока

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

где А_в – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ₀ = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Определение

Работа выхода W для данной поверхности определяется разностью

На практике E _F напрямую регулируется напряжением, приложенным к материалу через электроды, и работа выхода обычно является фиксированной характеристикой материала поверхности. Следовательно, это означает, что при приложении напряжения к материалу электростатический потенциал ϕ, создаваемый в вакууме, будет несколько ниже, чем приложенное напряжение, причем разница зависит от работы выхода поверхности материала. Преобразуя приведенное выше уравнение, мы получаем

Приложения

Измерение

Некоторые физические явления очень чувствительны к значению работы выхода. Наблюдаемые данные по этим эффектам могут быть приспособлены к упрощенным теоретическим моделям, что позволяет извлечь значение работы выхода. Эти феноменологически извлеченные работы выхода могут немного отличаться от термодинамического определения, данного выше. Для неоднородных поверхностей работа выхода варьируется от места к месту, и разные методы будут давать разные значения типичной «работы выхода», поскольку они усредняют или по-разному выбирают микроскопические рабочие функции.

Многие методы были разработаны на основе различных физических эффектов для измерения работы выхода электронов образца. Можно выделить две группы экспериментальных методов измерения работы выхода: абсолютные и относительные.

Методы, основанные на термоэлектронной эмиссии

Для перехода от горячего эмиттера к вакууму энергия электрона должна превышать уровень Ферми эмиттера на величину

E б а р р я е р знак равно W е <\ displaystyle E _ <\ rm <барьер>> = W _ <\ rm >>

определяется просто термоэлектронной работой выхода эмиттера. Если электрическое поле приложено к поверхности эмиттера, то все вылетающие электроны будут ускоряться от эмиттера и поглощаться любым материалом, который прикладывает электрическое поле. Согласно закону Ричардсона, плотность излучаемого тока (на единицу площади эмиттера), J _e (А / м 2 ), связана с абсолютной температурой T _e эмиттера уравнением:

Работа выхода холодного коллектора электронов

Та же самая установка может использоваться вместо этого для измерения работы выхода в коллекторе, просто регулируя приложенное напряжение. Если вместо этого приложить электрическое поле от эмиттера, то большая часть электронов, выходящих из эмиттера, просто отразится обратно к эмиттеру. Только электроны с наивысшей энергией будут иметь достаточно энергии, чтобы достичь коллектора, а высота потенциального барьера в этом случае зависит от работы выхода коллектора, а не эмиттера.

Этот метод замедляющего потенциала является одним из самых простых и старых методов измерения работы выхода, и он имеет преимущество, поскольку от измеряемого материала (коллектора) не требуется выдерживать высокие температуры.

Методы, основанные на фотоэмиссии

ℏ ω знак равно W е <\ displaystyle \ hbar \ omega = W _ <\ rm >>

Фотоэлектрические измерения требуют большой осторожности, поскольку неправильно спроектированная экспериментальная геометрия может привести к ошибочному измерению работы выхода. Это может быть причиной большого разброса значений работы выхода в научной литературе. Более того, минимальная энергия может вводить в заблуждение в материалах, где нет реальных электронных состояний на уровне Ферми, доступных для возбуждения. Например, в полупроводнике минимальная энергия фотона будет фактически соответствовать краю валентной зоны, а не работе выхода.

Конечно, фотоэлектрический эффект можно использовать в замедляющем режиме, как и в описанном выше термоэлектронном устройстве. В случае замедления вместо этого измеряется работа выхода темного коллектора.

Метод зонда Кельвина

<\ text < плоский>>.>

Хотя метод зонда Кельвина измеряет только разность работы выхода, можно получить абсолютную работу выхода, сначала откалибровав зонд по эталонному материалу (с известной работой выхода), а затем используя тот же зонд для измерения желаемого образца. Технику зонда Кельвина можно использовать для получения карт работы выхода поверхности с чрезвычайно высоким пространственным разрешением с помощью острого наконечника зонда (см. Зондовый силовой микроскоп Кельвина ).

Рабочие функции элементов

Работа выхода зависит от конфигурации атомов на поверхности материала. Например, для поликристаллического серебра работа выхода составляет 4,26 эВ, но для кристаллов серебра она изменяется для разных граней кристалла: грань (100) : 4,64 эВ, грань (110) : 4,52 эВ, грань (111) : 4,74 эВ. Диапазоны для типичных поверхностей показаны в таблице ниже.

Физические факторы, определяющие работу выхода

Из-за сложностей, описанных в разделе моделирования ниже, теоретически сложно точно предсказать работу выхода. Однако были выявлены различные тенденции. Работа выхода обычно меньше для металлов с открытой решеткой и больше для металлов, в которых атомы плотно упакованы. На плотных гранях кристалла он несколько выше, чем на открытых гранях, также в зависимости от реконструкций поверхности для данной грани кристалла.

Поверхностный диполь

Работа выхода не зависит просто от «внутреннего уровня вакуума» внутри материала (то есть от его среднего электростатического потенциала) из-за образования двойного электрического слоя атомарного масштаба на поверхности. Этот поверхностный электрический диполь вызывает скачок электростатического потенциала между материалом и вакуумом.

Легирование и влияние электрического поля (полупроводники)

где E _C берется на поверхности.

Теоретические модели работы выхода металла

Теоретическое моделирование работы выхода затруднено, поскольку точная модель требует тщательной обработки как электронных эффектов многих тел, так и химии поверхности ; обе эти темы уже сложны сами по себе.

Модель желе является лишь частичным объяснением, поскольку ее прогнозы все еще показывают значительное отклонение от реальных рабочих функций. Более поздние модели были сосредоточены на включении более точных форм эффектов электронного обмена и корреляции, а также на учете зависимости от граней кристалла (для этого необходимо учитывать фактическую атомную решетку, что не учитывается в модели желе).

Температурная зависимость работы выхода электронов

использованная литература

дальнейшее чтение

Для быстрого ознакомления с значениями работы выхода элементов:

внешние ссылки

* Некоторые рабочие функции, перечисленные на этих сайтах, не согласуются! *

Источник