Получение свободных электронов

Электроны, нужные для работы электронных ламп могут быть получены несколькими способами. В настоящее время практически применяются применяются главным образом три способа.

Первый из них может быть назван тепловым или термическим. Суть его заключается в следующем.

В каждом проводнике имеется огромное количество свободных электронов. Эти электроны находятся в беспрестанном хаотическом движении, скорость которого определяется температурой проводника. С увеличением температуры скорость движения электронов возрастает. Между прочим, следует отметить, что именно электроны, свободно перемещающиеся внутри металлов, являются прекрасными переносчиками тепла, что и определяет высокую теплопроводность металлов.

При обычных температурах электроны, беспорядочного движущиеся среди атомов металла, не могут вылетать в окружающее пространство. Находясь внутри проводника, электрон со всех сторон окружен другими электронами и ионами, действие которых на электрон взаимно уравновешивается, и электрон, не испытывая поэтому ни притяжения, ни отталкивания со стороны других частиц, движется сравнительно свободно.

Положение меняется, когда электрон приблизится к самой поверхности металла. Известно, что атомы вещества состоят из положительно заряженных ядер, окруженных отрицательно заряженными электронами. Из этого следует, что непосредственно внешняя поверхность вещества представляет собой своего рода электронную оболочку, имеющую отрицательный заряд. Дойдя до этой оболочки, электрон испытывает ее отталкивающее действие, направленное внутрь, и притягивающее действие положительных ионов, направленное тоже внутрь. Эти силы препятствуют вылету электронов из проводника во внешнее пространство.

Электрон обладает хотя и небольшой, но все же определенной массой, и поэтому, как каждое тело, имеющее массу, при своем движении приобретает некоторый запас энергии. Количество этой энергии зависит от скорости движения. При обычных температурах скорость электронов и следовательно, их запас энергии недостаточны для преодоления сил, препятствующих их вылету.При нагревании скорость движения электронов увеличивается и при известной температуре, определенной для каждого металла, она становится достаточной для преодоления противодействующих сил, и электроны начинают вылетать из проводника в окружающее пространство. Не все электроны, движущиеся в пределах проводника, имеют одинаковые скорости. Поэтому при каждой температуре только некоторая часть электронов разгоняется до скорости, достаточной для вылета. Чем выше температуры, тем больше количество электронов, получающих нужную для вылета скорость. Чистые металлы требуют нагрева примерно до 2000°С, чтобы начался вылет электронов в заметных количествах.Электроны вылетая из разогретого металла создают электрический ток

Излучение проводником электронов носит название электронной эмиссии. Поскольку в рассматриваемом случае эмиссия электронов возникает вследствие нагрева проводника, она называется тепловой эмиссией или термоэмиссией. Полученные этим способом электроны часто называют термоэлектронами. Для создания нужного потока электронов в электронных приборах наиболее часто используется именно термоэлектронная эмиссия.

Вторым способом получения потоков электронов является световой способ, или фотоспособ. Способ этот основан на явлении внешнего фотоэффекта, изученного А. Г. Столетовым в 1888 г. А. Г. Столетов обнаружил, что некоторые металлы под воздействием падающих на них лучей света начинают излучать электроны. Особенно сильное излучение электронов наблюдается, например, у цезия, натрия, калия. В физике это явление получило название внешнего фотоэффекта, так как электроны при этом излучаются во внешнее пространство. В технике оно называется фотоэлектронной эмиссией, а полученные этим способом электроны – фотоэлектронами. Фотоэлектронная эмиссия используется в значительной группе электронных приборов – фотоэлементах различных типов и назначений.Следует отметить, что в электронных приборах часто используется и обратное явление – свечение некоторых веществ под воздействием падающих на них потоков электронов – под воздействием электронной бомбардировки. Такие вещества называют люминофорами или фосфорами. К ним относится, например, минерал виллемит, светящийся зеленым светом при облучении его электронами. Виллемитом покрыты экраны общеизвестных оптических индикаторов настройки в радиоприемниках.

Фотоэлектронная эмиссия физически объясняется так. Световой поток несет определенное количество энергии. Эта энергия сообщается электронам и ускоряет их движение до такой величины, при которой они получают возможность вылета за пределы тела. Обратный эффект – свечение – состоит в том, что быстро летящие электроны, сталкиваясь с атомами возбуждают их, а их возвращение в нормальное состояние, как было уже отмечено, сопровождается излучением света. Дополнительная энергия, которую электрон атома получает в результате удара, расходуется им на излучение света.

Третий способ получения электронных потоков в электронных приборах можно назвать механическим. Если на поверхность метала направить поток электронов – подвергнуть ее электронной бомбардировке, то при известной скорости ударяющихся электронов они начинают выбивать из металла некоторые из имеющихся в нем электронов. Ударяющиеся электроны называют первичными, выбиваемые – вторичными. При известных условиях, связанных со скоростью первичных электронов, каждый первичный электрон может выбить несколько вторичных, поэтому при помощи этого   способа можно, используя слабый поток первичных электронов, получить более сильный поток вторичных электронов.

Явление это называют иногда динатронным эффектом, а приборы, в которых оно используется, получили название электронных умножителей.Электронное умножение, естественно, может быть использовано только в сочетании с каким-либо другим способом получения электронного потока – световым или тепловым, который служит для получения первичных электронов.

Выбивание вторичных электронов может иметь место не только как явление, предусмотренное при конструировании, но и как явление побочное. В некоторых случаях появление вторичных электронов не приводит к какому-либо ухудшению работы прибора, и с ним поэтому можно не считаться. Но иногда выбитые электронным потоком вторичные электроны нарушают нормальную работу прибора, поэтому, как будет рассказано в дальнейшем, для устранения их вредного действия приходится принимать специальные защитные меры.