Баллистическая


Работа выхода и туннельный эффект



жүктеу 8.2 Mb.
бет72/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   68   69   70   71   72   73   74   75   ...   99

Работа выхода и туннельный эффект

Молньи стремителен бег, и разит она тяжким ударом

И с быстротою всегда чрезвычайной скользит при полёте

Из-за того, что сама в облаках набирается силы,

Прежде чем вылетит вон, получая огромную скорость.

А когда больший напор её выдержать туча не может,

Вырвавшись тут, вылетает она с изумительной силой,

Вроде того, как снаряд из могучих несётся орудий.

Кроме того, элементы её мелки и гладки,

И потому не легко для молньи поставить преграды.

Внутрь проникает она и проходит по пористым ходам.

Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н.э. [77]
Чтобы окончательно доказать адекватность классического описания движения электронов, рассмотрим для них напоследок туннельный эффект. Туннельный эффект - это последнее "проявление" волновых свойств электрона – тоже трактуется классически. Электроны образуют в металле электронный газ, не имеющий резких границ, и потому частично выходящий за пределы металла. Так электроны и "туннелируют" сквозь границу без помощи волновых свойств. Точно так же и опыты, где якобы проявляют волновые свойства другие частицы (атомы, молекулы, нейтроны), имеют простое классическое объяснение, которого попросту не искали.

Итак, рассмотрим туннелирование и природу работы выхода электронов. Известно, что электрон может покинуть металл, лишь затратив энергию равную работе выхода A [36, Ч.I]. Вот почему для интенсивной электронной эмиссии из металла требуется его нагрев. Только так возникают электроны со скоростями и энергиями достаточными для ухода с поверхности (термоэлектронная эмиссия). Но, как оказалось, электроны могут покидать поверхность даже холодного металла, если приложить снаружи достаточно сильное электрическое поле (холодная эмиссия). Считали, что по классической теории такое невозможно. Ведь для того, чтобы электрон набрал в электрическом поле энергию выхода, ему надо пройти в этом поле некоторый путь, отойдя от поверхности. А чтоб выйти из металла, нужна энергия выхода. Возникает порочный круг: электрон мог бы набрать требуемую энергию, если б перепрыгнул через энергетический барьер, но для этого ему и нужна энергия [134]. И всё же электроны как-то выбираются из металла, словно беря энергию взаймы и следуя не поверх барьера, а сквозь него, как сквозь туннель, огибают барьер словно волны, будучи размыты в пространстве и времени за счёт квантовой неопределённости. Вот почему этот туннельный эффект считают возможным лишь по квантовой механике.

И всё же туннельный эффект не доказывает квантовых фантазий о размытом в виде волны электроне, но допускает чисто классическую трактовку, если правильно истолковать работу выхода. Прежде всего, подвижные электроны, даже в холодном металле, то и дело покидают его поверхность, придавая ей положительный заряд, который тянет электроны обратно (Рис. 169). В итоге над поверхностью любого металла реет облако взмывающих и падающих электронов – своего рода электронная атмосфера, окружающая металл тонким слоем. Эта прослойка и задаёт работу выхода. Каждый электрон, вырвавшись с поверхности металла, влетает в облако, электрическое отталкивание которого создаёт тормозящую силу FT, тянущую электрон назад. Электрон между отрицательно заряженной вершиной облака и положительно заряженной поверхностью оказывается как меж пластин конденсатора с запирающим полем.

Рис. 169. Электроны, вылетевшие за границу металла, втягиваются назад. Лишь самые быстрые и ускоренные полем E покидают металл насовсем.

По сути, тонкий слой электронного газа, обволакивающий поверхность металла, аналогичен атмосфере Земли, атомы которой тоже не могут уйти в космическое пространство, поскольку для этого необходимо преодолеть земное притяжение, совершив своего рода работу выхода. Но скорости атомов меньше первой космической, и, взлетев до некоторой высоты, они возвращаются к поверхности. Лишь у планет с горячей атмосферой или малыми размерами атомы непрестанно утекают в пространство. Подобно концентрации атомов в атмосфере, концентрация электронов падает с удалением от поверхности по экспоненциальному закону. И лишь редкие высокоскоростные электроны доходят до верхних слоёв облака.

Нагрев металла ускоряет движение электронов, и всё большему их числу удаётся покинуть металл. Так возникает термоэлектронная эмиссия, аналогичная утечке атомов газа из нагретой атмосферы. В случае холодной эмиссии реализуется иной вид утечки – не от роста скорости частиц электронного газа, а от падения запирающей силы и работы выхода (это соответствует утечке газов с малых планет, не способных удержать атомы своим полем). Ведь при холодной эмиссии электрон находится не только в запирающем поле электронной атмосферы, но и во внешнем ускоряющем поле E, которое снижает возвратную силу FT и позволяет электронам, преодолев притяжение металла, покинуть его насовсем.

Прежде считали, что внешнее поле не способно придать достаточную энергию электрону, поскольку внутри металла электрическое поле отсутствует, а выйти из металла электрон по прежним представлениям не мог. Реально же электроны вылетают из металла и на пути L набирают в поле E энергию EL. Так внешнее поле успевает сообщить электрону энергию A достаточную для полного выхода из металла. Здесь и впрямь наблюдается своего рода туннельный эффект: электронный газ выходит на некоторую высоту из металла, не будучи скован его границам, словно он размыт. Но размытость эта не имеет ничего общего с квантомеханической неопределённостью положения и энергии электрона, с представлением его в виде волны. Явление имеет чисто классическую природу, ибо газы и атмосферы, в том числе электронные, не могут иметь чётких границ. Их граница всегда условна, размыта.

И количественно ток электронов при холодной эмиссии вполне соответствует классической теории. Как было сказано, концентрация электронов в приповерхностном слое металла спадает с расстоянием h от границы по экспоненциальному закону, подобно плотности земной атмосферы с высотой: n~eh/kT. Набрать энергию A, достаточную для полного улёта от металла, способны только электроны, прошедшие в ускоряющем поле путь L=A/E. Иначе говоря, покинуть металл смогут электроны, взлетающие на высоту h>L. Число их легко найти интегрированием их концентрации n~eh/kT в пределах h от высоты L до бесконечности. Отсюда найдём, что процент электронов от всех вылетевших и способных покинуть металл, пропорционален eL/kT= eA/kTE. Эта зависимость тока холодной эмиссии и была найдена в опытах [134]. Кстати, зависимость eA/kT от температуры T верно описывает и ток через ламповый диод.

Аналогично объясняется туннельный эффект для двух металлических пластин, отделённых тонким слоем диэлектрика. Электроны одной пластины влетают внутрь диэлектрика и при малой его толщине могут пройти в другую пластину. В отсутствие напряжения этот поток уравновешивается обратным. Но при наложении напряжения через такой контакт пойдёт небольшой ток, величина которого экспоненциально растёт с температурой и с уменьшением толщины диэлектрика. Такое же тонкое электронное облако создаётся на границе двух металлов, имеющих разную концентрацию электронов, что объясняет контактную разность потенциалов.

Кроме того, как было показано ранее, существование работы выхода напрямую связано со свойствами атомов и молекул, с наличием у них энергии ионизации, поскольку металл можно рассматривать как одну гигантскую молекулу, имеющую определённую энергию ионизации, которая и есть работа выхода из металла (§ 4.3.). Интересно, что чёткие механические представления о движении электронов в металле сформировались ещё в античном мире у Демокрита и Лукреция, которые представляли разряд молнии в виде тока мельчайших частиц (электронов), преодолевающих запирающее поле облака и стремительно вылетающих из тучи. Не зря и в этой древней теории электричества нашла применение баллистическая аналогия, позволившая предвосхитить открытие работы выхода электрона, критического поля пробоя и ударной ионизации.

Другое проявление "туннельного" эффекта, уже для альфа-частиц, было рассмотрено выше (§ 3.14.). Как было показано, явление опять же может иметь простую классическую трактовку и α-частицу ни к чему считать волной, вводя неопределённость её положения и энергии в ядре. Так же было показано, что электрон, постоянно испускающий реоны и испытывающий их удары, должен постоянно дёргаться, дрожать, что отчасти напоминает квантовую неопределённость его положения, однако с чисто классической природой. Наконец, некоторая "размытость" присуща электронам и по той причине, что они генерируют поток реонов не сами, а испускают прежде бластоны, взрывающиеся каскадами реонов на разном расстоянии от электрона в пределах сферы распада, имеющей некоторую толщину и протяжённость (§ 3.18.). Это приводит к тому, что кулоновские силы и закон Кулона, так же как сила давления, порождаемая ударами атомов воздуха, имеют лишь среднестатистический смысл и на малых расстояниях эта сила оказывается случайно меняющейся, в какой-то момент оказываясь то больше, то меньше, в зависимости от того, на каком расстоянии взрываются бластоны. Этим тоже можно в некоторых случаях объяснить эффекты туннелирования, которое происходит в те моменты, когда силы притяжения или отталкивания зарядов ослаблены за счёт флуктуаций. Таким образом, эффекты туннелирования, хоть и связаны с вероятностными процессами, "размытостью" частиц, но вероятность и размытость эта чисто классическая, детерминированная, имеющая простое наглядное механическое объяснение.



    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   68   69   70   71   72   73   74   75   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет