电离和电子发射等基础知识

1、电弧物理,主讲教师：黄健康,1.1、气体粒子的运动-温度 1.2、电离 1.3、电子发射 1.4、带电粒子的运动,第一章 电离和电子发射等基础知识,1.1.1 气体粒子动能和温度关系 理想气体的状态方程(equation of state)：气体的p、V、T之间的关系式,1.1、气体粒子的运动-温度,摩尔气体常数,阿佛加德罗常数,玻尔兹曼常数,粒子密度数,1.1.1 气体粒子动能和温度关系,1.1、气体粒子的运动-温度,分子碰撞面积为A的器壁前,分子碰撞器壁后,温度的微观意义,1.1.1 气体粒子动能和温度关系,1.1、气体粒子的运动-温度,分子的动量改变为,在下次碰撞发生前,牛顿第二定律、冲

2、量定理,1.1.1 气体粒子动能和温度关系,1.1、气体粒子的运动-温度,容器内共有N个分子：,1.1.1 气体粒子动能和温度关系,1.1、气体粒子的运动-温度,平均动能为,气体压力为,均方根速度,单原子气体温度T，就是从整体上观察气体粒子总动量的量度,1.1.2 麦克斯韦速度分布律 平衡态下，理想气体分子速度分布是有规律的，这个规律叫麦克斯韦速度分布律，若不考虑分子速度的方向，则叫麦克斯韦速率分布律。,1.1、气体粒子的运动-温度,1.1.2 麦克斯韦速度分布律,1.1、气体粒子的运动-温度,分布函数,表示速率在 区间的分子数占总分子数的百分比 .,1.1.2 麦克斯韦速度分布律,1.1、气

3、体粒子的运动-温度,曲线下面积恒为1,几何意义,1.1.2 麦克斯韦速度分布律,1.1、气体粒子的运动-温度,麦氏分布函数：,反映理想气体在热动平衡条件下，各速率区间分子数占总分子数的百分比的规律 .,1.1.2 麦克斯韦速度分布律,1.1、气体粒子的运动-温度,三种统计速率,A、最概然速率,根据分布函数求得,1.1.2 麦克斯韦速度分布律,1.1、气体粒子的运动-温度,B、平均速率,1.1.2 麦克斯韦速度分布律,1.1、气体粒子的运动-温度,C、方均根速率,1.1.2 麦克斯韦速度分布律,1.1、气体粒子的运动-温度,1.1.2 麦克斯韦速度分布律,1.1、气体粒子的运动-温度,1.1.3

4、 单位时间通过单位面积的粒子数,1.1、气体粒子的运动-温度,1.1.4 玻尔兹曼关系 在麦氏速度分布律的基础上，第一次考虑了重力对分子运动的影响，建立了更全面的玻尔兹曼分布律，建立了知名过程方向性的玻尔兹曼H定理，建立了玻尔兹曼熵公式。 微观粒子的空间分布对系统宏观性质会产生一定的影响，但一般说来，主要决定系统宏观性质的还是微观粒子的能量分布。 量子理论指出：任何微观粒子的能量都不连续，而是量子化的，都具有若干个可能的能级。其中：能量最低的能级基态；其余能级激发态。,1.1、气体粒子的运动-温度,玻尔兹曼,玻尔兹曼关系式,1.1.5 平均自由程,1.1、气体粒子的运动-温度,氮气分子在270

5、C时的平均速率为476m/s.,克劳修斯指出：气体分子的速度虽然很大，但前进中要与其他分子作频繁的碰撞，每碰一次，分子运动方向就发生改变，所走的路程非常曲折。,气体分子平均速率,1.1.5 平均自由程,1.1、气体粒子的运动-温度,在相同的t时间内，分子由A到B的位移大小比它的路程小得多,分子自由程:,气体分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程。,分子碰撞频率:,单位时间内一个分子与其他分子碰撞的次数。,1.1.5 平均自由程,1.1、气体粒子的运动-温度,大量分子的分子自由程与每秒碰撞次数服从统计分布规律。可以求出平均自由程和平均碰撞次数。,假定,A、平均碰撞次数,1.1.5 平均自由程,1.1

6、、气体粒子的运动-温度,运动方向上，以 d 为半径的圆柱体内的分子都将与分子A 碰撞,一秒钟内:,一秒钟内A与其它分子发生碰撞的平均次数,一切分子都在运动,1.1.5 平均自由程,1.1、气体粒子的运动-温度,平均自由程,与分子的有效直径的平方和分子数密度成反比,B、平均自由程,平均自由程与平均 速率无关，与分子有效直 径及分子数密度有关。当温度恒定时,平均自由程与气体压强成反比,每秒钟一个分子竟发生几十亿次碰撞！,1.1.6 自由程的发布,1.1、气体粒子的运动-温度,1.1.7 扩散 扩散：物体内各部分密度不均匀时，物质由密度大往密度小的地方迁移的现象。,1.1、气体粒子的运动-温度,扩散

7、系数,胡克(Fick)第二定律,1.1.8 气体粒子的碰撞-能量交换,1.1、气体粒子的运动-温度,遵循能量守恒、动量守恒,1.2.1 原子外壳,1.2、电离,电子 轨道杂化,1.2.1 原子外壳 价电子：价电子指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。 主族元素的价电子就是主族元素原子的最外层电子；过渡元素的价电子不仅是最外层电子，次外层电子及某些元素的倒数第三层电子也可成为价电子。 一个原子可以跟邻近原子分享电子，一条共价键，或者从其他原子中移走电子，一条离子键。 价电子同时亦决定该元素的电导性能。,1.2、电离,1.2.2 电离点位，激发点位 电离电位 当原子获得足够大的能量

8、而其一个或某些外层电子脱离该原子核的作用力范围，成为自由电子，这时原子由于失去电子而成为离子，这种现象称为电离。为使原子发生电离所需的能量称为电离能，也称电离电位，以电子伏特为单位。原子失去一个电子，称为一次电离；失去二个电子称为二次电离，依次类推。产生不同程度电离的电离电位是不同的。,1.2、电离,1.2.2 电离点位，激发点位 激发电位：将原子中的一个外层电子从基态跃迁至激发态所需的能量称为激发电位，通常以ev为单位。,1.2、电离,1.2.3 辐射-发光 被激发而处于高能级的电子是不稳定的，在很短时间内，又要回到较低的激发能级或基态能级上去。能量将以光子的形势放出。,1.2、电离,1.2

9、.4 电离的种类 A、碰撞电离 任意方法把粒子加速到超过某一限度并用它撞击中性气体粒子时，一部分能量传递给中性气体粒子就会使其发生电离。 B、光电离 光电效应：光照射到物体表面时，有电子从物体表面逸出的现象。 C、热电离 气体被加热到高温，则高速粒子群中能量 特别高的粒子将在相互碰撞之际引起碰撞电离， 这种气体高温下电离现象为热电离。,1.2、电离,1.2.4 电离的种类 C、热电离,1.2、电离,当t10000K时，才需考虑热电离； 当t20000K时，几乎全部的分子都处于热电离状态。,1.2.5 热电离，热分解,1.2、电离,1.2.6 热电离的沙哈(Saha)公式,1.2、电离,SAHA

10、 方程 在仅含单种气体的完全平衡和局域热力学平衡等离子体中存在着电离平衡: A+wi A+ + e SAHA推导出如下方程: a2/(1-a2) P = 2.410- 4 (T 5/2) exp(-wi /kT) P 气压 (Torr) T 绝对温度 ( K) wi 气体分子（原子）电离电位 ( eV) k Boltzman常数 (8.61410-5 eVdeg-1),1.2.6 热电离的沙哈(Saha)公式,1.2、电离,SAHA 方程 在仅含单种气体的完全平衡和局域热力学平衡等离子体中存在着电离平衡: A+wi A+ + e SAHA推导出如下方程: a2/(1-a2) P = 2.410

11、- 4 (T 5/2) exp(-wi /kT) P 气压 (Torr) T 绝对温度 ( K) wi 气体分子（原子）电离电位 ( eV) k Boltzman常数 (8.61410-5 eVdeg-1),1.2.6 热电离的沙哈(Saha)公式,1.2、电离,常压热平衡条件下氮等离子体的电离度 a 随温度变化： T ( K ) a 5,000 3.210-7 10,000 0.0065 15,000 0. 22 20,000 0. 82,电离过程: e + A A+ + 2e kion P2,三体复合过程: e + A+ + M A + M krecom P3,1.2.6 热电离的沙哈(S

12、aha)公式,1.2、电离,1.2.7 阴离子的形成 阴离子是指原子由于外界作用得到一个或几个电子，使其最外层电子数达到稳定结构。原子半径越小的原子其得失电子能力越强，金属性也就越弱。阴离子是带负电荷的离子，核电荷数=质子数核外电子数，所带负电荷数等于原子得到的电子数。,1.2、电离,附着( attachment ) 碰撞 （当A具有正电子亲合势时） e + A + M A- + M,1.3.1 电子发射-功函数 金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落”下来的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的“电子气”，金属原子则“浸泡”在“电子气”的“海洋”之中。,1.3、电子发射,1.3.1 电子发射

13、-功函数,1.3、电子发射,电子飞出表面必需具有一定能量，记为eVw，则称Vw为功函数,1.3.2 热电子发射 热电子发射：电子从外界获得热能逸出金属的现象称为热电子发射。,1.3、电子发射,发射电流密度：,道舒曼公式,服从麦克斯韦发布,1.3.2 热电子发射 费米-狄拉克分布：,1.3、电子发射,费米能级,1.3.2 热电子发射,1.3、电子发射,阴极发射电子而使得能量损失造成阴极表面的冷却。,热电子发射就是一种金属表面的电子气化现象。,阳极则流入电子流，以凝固热的形式吸收功率。,能 量 传 输,热电子以指数形式增加，辐射以温度的4方增加，热电子传输的功率远远大于辐射,1.3.3 复合电极的

14、热电子发射钍钨阴极和氧化物 涂层阴极 当阴极表面存在氧化物时，电子发射变得容易很多。,1.3、电子发射,电子波动性,还有一部分电子，在某种原因下，电子被势垒反射回金属内部。,1.3.3 复合电极的热电子发射钍钨阴极和氧化物 涂层阴极,1.3、电子发射,在焊接中，焊条药皮中一般加入碱、碱土类化合物，但只有其中较少的一部分才到达阴极表面。碱金属：括铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)六种金属元素。,1.3.4 肖脱基效应(Schottky effect)和自发射 为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阳极，必须在阴极和阳极间外加一个加速电场Ea然而由于Ea的存在

15、使阴极表面的势垒Eb降低，因而逸出功减小，发射电流增大这一现象称为肖脱基(Scholtky)效应可以证明，在加速电场Ea的作用下，阴极发射电流Ia与Ea有如下的关系：,1.3、电子发射,Ia和I分别是加速电场为 Ea和零时的发射电流,当外加电场足够大时，位能曲线将下降 为曲线3，且势垒厚度b也变小，处于费 米能级的部分电子将由于上述的波动性 而穿过势垒向外跑出，称为：场致发射 或自发射,1.3.5其它电子发射 A 光电子发射 B 电子和离子轰击下的二次发射,1.3、电子发射,用电子流或离子流轰击物体表面，使之发射电子的过程叫二次电子发射。发射的电子叫次级电子或二次电子。二次电子的数目取决于入射

16、离子或电子的速度、入射角、物体的性质及物体表面的状态。,1.3.5 接触电位差,1.3、电子发射,两种金属外部空间中的电位差等于其功函数之差，也就是接触电位差。,1.4.1 电子在真空中的运动,1.4、带电粒子的运动,真空管电流公式：电流并不遵循流经普通电阻适用的欧姆定律，而是与电压的3/2次方成正比，与距离的平方成反比。,能量从阴极通过空间后，在阳极产热，在路径中没有热产生。,1.4.1 电子在真空中的运动,1.4、带电粒子的运动,热电子极限电流,空间电荷极限电流,1.4.2 带电粒子在气体中的运动电子的温度和中 性气体温度,1.4、带电粒子的运动,方向不规则的运动正反映出电子气的温度，因此

17、被电场加速到很高速度的电子发生碰撞的结果将获得高温。另一方面，与电子碰撞的中性粒子也或多或少的要获得一部分能量，但由于质量大，能量少，故中性气体的温度上升很少。因此处于同一放电空间却共存着两种温度完全不相同的粒子气体：高温电子气体和低温中性气体。,1.4.3 迁移率,1.4、带电粒子的运动,飞行时间：,电子在电场方向移动的平均距离：,电场方向速度：,签约率：,1.4.3 迁移率,1.4、带电粒子的运动,1.4.4 电子温度和气体温度,1.4、带电粒子的运动,电子在移动一个平均自由程期间从电场获得的能量要比电子以温度形式所拥有的能量小得多。 在11000K时，电子温度与中性粒子温度比为1.11左右。非常接近。 电子的温度在10纳秒就能平衡。 电子碰撞中性粒子，把能量传递给中性粒子，中性粒子在1微秒温度就能平衡。,1.4.5 带电粒子的扩散,1.4、带电粒子的运动,