Работа выхода электронов

Элементы квантовой физики

Работа выхода электронов

ВеществоРабота выхода электронаВеществоРабота выхода электрона
10-19эВ10-19эВ
Барий3,82,4Платина8,55,3
Барий на вольфраме1,81,1Рубидий3,52,2
Вольфрам7,24,5Серебро6,94,3
Германий7,74,8Торий5,43,4
Золото6,94,3Торий на вольфраме4,22,6
Калций4,52,8Цезий2,91,8
Молибден6,94,3Цезий на вольфраме2,21,4
Никель7,24,5Цезий на платине2,11,3
Оксид бария1,61,0
Оксид меди (I)8,35,2
Барий484Рубидий573
Вольфрам272Серебро260
Калий550Сурьма310
Литий500Сурьмяно-цезиевый катод670
Медь270Цезий620
Ртуть260Цинк290
Длина волны, нмЧастота, ТГцЦвет лучейЭнергия одного кванта
10-18ДжэВ
760395Темно-красный0,261,6
 620483Красный0,322,0
590508Оранжевый0,342,1
560536Желтый0,362,2
500600Зеленый0,402,5
480625Голубой0,412,6
450666Синий0,442,7
380789Фиолетовый0,523,3
ПоказателиИзлучение
ренгетовскоеультрафиолетовоеинфракрасное
Диапазон длин волн, занимаемых излучением, нмот 0,001 до 10от 3 до 380от 760 до 2х106
Значения энергий, которыми обладают фотоны в указанном диапазоне длин волн, Дж (эВ)от 2х10-13 (1,25х106) до 2х10-17(1,2х102)от 6,6х10-17(4,1х102) до 5,3х10-19(3,3)от 2,6х10-20(1,6) до 10-22(6,0х10-4)
Вид излученияЧастота, ТГцМасса фотона
кгв массах электрона
Граница инфракрасного и видимого излучения4002,9х10-363,2х10-6
Видимая часть спектра (лучи зеленого цвета)6004,4х10-364,7х10-6
Граница видимого и ультрафиолетового излучения7905,6х10-366,3х10-6
Ультрафиолетовое излучение1057,3х10-348,0х10-4
Рентгеновское излучение3х1062,2х10-310,24
Гамма-излучение3х1082,2х10-302,4
Виды излученияЧастота, ТГцИмпульс, кг м/с
Граница инфракрасного и видимого излучения4008,7х10-28
Видимая часть спектра (лучи зеленого цвета)6001,3х10-27
Граница видимого и ультрафиолетового излучения7901,7х10-27
Ультрафиолетовое излучение1052,2х10-25
Ренгеновское излучение3х1066,6х10-23
Гамма-излучение3х1086,6х10-21
АтомМасса атомовАтомМасса атомов
10-27 кга.е.м.*10-27 кга.е.м.*
Азот23,214,0067Олово197118,69
Алюминий44,826,9815Платина324195,09
Водород1,671,0079Ртуть333200,59
Вольфрам305183,85Свинец334207,2
Гелий6,644,0026Сера53,232,06
Железо92,855,847Серебро179107,868
Золото327196,9665Углерод19,912,011
Калий64,939,098Уран395238,029
Кальций66,540,08Фосфор51,430,97376
Кислород26,615,9994Хлор58,935,453
Медь10563,546Цинк10965,38
Натрий38,122,98977

* Атомная единица массы(а.е.м.) является единицей атомных масс химических элементов. 1 а.е.м. равна 1/12 массы изотопа углерода-12.

Характерные размеры атомов

Линейные размеры атома*, см (нм)≈10-8 (≈0,1)
Радиус простейшего атома – водорода**, см (нм)5,3х10-9 (0,053)
Радиус атома гелия, см (нм)1,05х10-8 (0,105)
Радиус атома урана, см (нм)1,5х10-8 (0,15)
Число атомов, которые можно “уложить” вплотную друг к другу на отрезке в 1мм≈10 000 000
Объем занимаемый атомом, см3порядка 10-24
Число атомов железа, содержащихся в булачной головкепримерно 1019
Линейные размеры ядра атома, смпорядка 10-13 -10-12
Отношение радиуса атома к радиусу ядра атомa (в среднем)≈100 000
Радиус ядра гелия, см (фм)2х10-13 – 3х10-13 (2-3)
Радиус ядра урана, см (фм)8,5х10-13 (8,5)
Объем ядра, см310-39 – 1036
Число атомных ядер, которые можно “уложить” вплотную друг к другу на отрезке 1 мм≈1 000 000 000 000
Расстояние между атомами в твердом теле, см (нм)порядка 10-8 (0,1)

*Линейные размеры атома определяется линейными размерами его электронной оболочки.
**Радиус атома водорода равен радиусу траектории движения электрона в атоме, т.е. радиусу первой электронной орбиты в атоме водорода.

Явление естественной радиоактивности

В состав радиоактивного излучения входят α-лучи (поток алфа-частиц-атомных ядер гелия), β-лучи (поток электронов и позитронов) и γ-лучи (поток фотонов высокой частоты – порядка 108TГц.

α-лучиβ-лучиγ-лучи
Скорость частиц, вылетающих из ядер радиоактивных веществ, км/с14 000-20 000160 000*300 000
Энергия частиц, МэВ4 – 9От сотых долей до 1-20,2-3
Масса одной вылетающей частицы, кг6,6 х 10-279 х 10-31≈2,2 х 10-30
Пробег (путь, проходимый частицей в веществе до остановки)в воздухев алюминиив биологической ткани3 – 9 см До 0,06 мм До 0,1 ммДо 40 мДо 2 смДо 6 смПронизывают тело человека

* Указана средня скорость, так как β-излучение содержит потоки заряженных частиц со всевозможными скоростями – от скорости, близкой к нулю, до скорости, близкой к скорости света.

Источник: http://www.kilomol.ru/ekf.html

Фотоэффект и определение постоянной планка и работы выхода электронов – физика

Работа выхода электронов

ФОТОЭФФЕКТ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ

ПЛАНКА И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ

          Цель работы: ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка и работы выхода электронов из металла.

   Электромагнитное излучение обладает двойственной природой. При взаимодействии с веществом оно проявляет себя как поток частиц — фотонов  с энергией Е и импульсом Р, равными

Е = hν,    Р = kh/2π.                                          (1)

   Под действием электромагнитного излучения электроны могут вылетать из вещества. Это явление называют фотоэффектом.

   С точки зрения квантовой теории света взаимодействие света с электронами вещества можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, в результате единичного акта  столкновения электрон приобретает дополнительную энергию.

   Кинетическая энергия электрона частично тратится на совершение выхода А против задерживающих сил, действующих в поверхностном слое вещества, а оставшаяся часть кинетической энергии есть максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Уравнение Эйнштейна, описывающее баланс энергии для взаимодействия фотона с электроном имеет вид

hν = А + Еmax,                                               (2)

где hν — энергия поглощенного фотона, А — работа выхода электрона, Еmax — максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Здесь предполагается, что кинетическая энергия электрона в  веществе до поглощения фотона много меньше энергии фотона.

   При экспериментальном изучении фотоэффекта  используется двухэлектродная лампа-диод. Один из электродов — катод, освещается светом определенной частоты. Вылетающие фотоэлектроны достигают анода. При фиксированной частоте и постоянной мощности  падающего света типичная зависимость силы фототока  I от приложенного напряжения U между катодом и анодом приведена на рис.1.

Рис.1

   При некотором отрицательном напряжении , называемом запирающим напряжением, фототок обращается в нуль.

Это связано с тем, что максимальной кинетической энергии вылетающих фотоэлектронов Еmax недостаточно для совершения работы  eUз против тормозящих сил электрического поля между катодом и анодом ( e — заряд электрона).

Согласно уравнению Эйнштейна (1), величина Uз  для  определенного фотокатода прямо пропорциональна частоте ν падающего света

eUз = Еmax= hν – А.                                       (3)

   Для каждого вещества существует  минимальная частота νmin, при превышении которой может наблюдаться фотоэффект. Она определяется из условия  Еmax  = 0  и описывается формулой

νmin    = А/h.                                                         (4)

Соответствующая длина волны, называемая красной границей фотоэффекта, равна

λmax = c /νmin,                                                        (5)

где  с — скорость света.

   В данной работе осуществляется экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна (2)  для фотоэффекта и измеряются значения  постоянной Планка h  и работы выхода электронов А для материала катода.

Выполнение измерений

   Схема экспериментальной установки приведена на рис.2.  Свет от источника S через систему оптических фильтров F попадает на фотокатод К фотоэлемента Ф. Между катодом К и анодом А с блока питания Б подается регулируемое тормозящее напряжение U. Тормозящее напряжение измеряется электронным вольтметром V ,  фототок — с помощью  микроамперметра  μА.

           S                           K

                F                 A          V             mA

                                           Б 

Рис.2

   Частота ν (длина волны λ) излучения, падающего  на фотоэлемент, регулируется подбором светофильтров.  Эксперимент заключается в определении зависимости запирающего напряжения Uз   от частоты света hν .  Он проводится следующим образом:

  1. Включить осветитель и установить фильтр с определенной полосой пропускания.    

  2. Включить блок питания и вольтметр .

  3. Управляя напряжением блока питания  снять зависимость фототока, измеряемого микроамперметром, от задерживающего напряжения, измеряемого вольтметром.

  4. Провести аналогичные измерения для других светофильтров. Результаты измерений занести в таблицу  1.

                                                                                                               Таблица 1

λсредн  светофильтра№    измеренийUI
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5

          Обработка результатов измерений заключается в следующем:

  1. Построить графики зависимости фототока I  от задерживающего напряжения U  для различных значений частоты падающего света.

  2. Экстраполируя полученные кривые до их пересечения с осью U, определить значения запирающего напряжения Uз для используемых частот света ( см. рис.3 ). При экстраполяции кривых малые значения фототока использовать не следует.

Рис.3

Результаты определения запирающего напряжения занести в таблицу 2.

                                                      Таблица 2

  1. Используя табл. 2, построить график зависимости запирающего напряжения Uз от частоты света ν. Согласно уравнению (3) запирающее напряжение линейно зависит от частоты света

Uз  =  hν /c  —  A/e,

причем угловой коэффициент  k  наклона прямой равен   h/e. Это позволяет определить постоянную Планка по формуле

h  =  ke.

Коэффициент  k   наклона прямой  определяется с помощью построенной зависимости Uз(ν).

  1. Экстраполируя график зависимости Uз(ν) до пересечения с осью абсцисс, определить частоту νmin, при которой запирающее напряжение обращается в нуль. Определить работу выхода электронов на основе формулы (4)

A  = hνmin

  1. Оценить ошибку измерения работы выхода  DА.

Контрольные вопросы

  1. Что такое фотоэффект?

  2. Чем определяется максимальная кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов?

  3. Что такое красная граница фотоэффекта?

  4. Как оценить напряжение запирания?

Список рекомендуемой литературы

  1. Савельев И.В.  Курс общей физики.  М.: Наука, т.3,  гл.2.

  2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. ч.1,  М.: Наука, гл.1.

Источник: https://fizika-student.ru/fotoeffekt-i-opredelenie-postoyannoy-planka-i-raboty-vyhoda-elektronov.html

Работа выхода электронов из металлов, не металлов и неорганических соединений (Таблица)

Работа выхода электронов

В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении.

Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла.

Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:

Wp = -eφ , где j – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.

В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.

Aвых = eφ

Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля. 

Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми EF . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ  и энергии Ферми.

Aвых = eφ' – EF

где φ' – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.

Таблица работа выхода электронов из простых веществ

В таблице приведены значения работы выхода электронов, относящихся к поликристаллическим образцам, поверхность которых очищена в вакууме прокаливанием или механической обработкой. Недостаточно надежные данные заключены в скобки.

ВеществоФормула веществаРабота выхода электронов (W,  эВ)
сереброAg  4,7  
алюминийAl  4,2  
мышьякAs  4,79 – 5,11  
золотоAu 4,8 
бор(4,60) 
барийBa 2,52
бериллийBe 3,92 
висмутBi 4,34
углерод (графит)4,45 – 4,81 
кальцийCa 2,76 – 3,20 
кадмийCd 4,04
церийCe 2,6 – 2,88 
кобальтCo 4,40 
хромCr 4,60
цезийCs 1,94 
медьCu 4,36 
железоFe 4,40 – 4,71 
галлийGa 3,96 – 4,16
германийGe 4,66 
гафнийHf (3,53) 
ртутьHg 4,52 
индийIn (3,60 – 4,09)
иридийIr (4,57) 
калий2,25 
лантанLa (3,3)
литийLi 2,49 
магнийMg 3,67 
марганецMn 3,76 – 3,95 
молибденMo 4,20
натрийNa 2,28 
ниобийNb 3,99
неодимNd (3,3) 
никельNi 4,91 – 5,01 
осмийOs (4,55)
свинецPb 4,05 
палладийPd (4,98) 
празеодимPr (2,7)
платинаPt 5,30 – 5,55 
рубидийRb 2,13
ренийRe 4,98 
родийRh 4,75 
рутенийRu (4,52) 
сурьмаSb 4,08 – 4,56 
скандийSc (3,2 – 3,33) 
селенSe 4,86 
кремнийSi 3,59 – 4,67 
самарийSm (3,2) 
олово (γ-форма)Sn 4,38 
олово (β-форма)Sn 4,50 
стронцийSr 2,74
танталTa 4,13 
теллурTe 4,73 
торийTh 3,35 – 3,47 
титанTi 4,14 – 4,50 
таллийTl 3,68 – 4,05 
уран3,27 – 4,32 
ванадий3,77 – 4,44 
вольфрам4,54 
цинкZn 4,22 – 4,27 
цирконийZr 3,96 – 4,16

Таблица работа выхода электронов из неорганических соединений

В таблице приведены значения работы выхода электронов, относящихся к поликристаллическим образцам, поверхность которых очищена в вакууме прокаливанием или механической обработкой. Недостаточно надежные данные заключены в скобки.

ВеществоФормула веществаРабота выхода электронов (W,  эВ)
бромистое сереброAgBr ~3,9
хлористое сереброAgCl ~4,6 
иодистое сереброAgI ~4,0 
сульфид серебраAg2S ~3,8 
триоксид бораB2O34,7 
оксид барияBaO 1,0 – 1,6 
барий вольфрамовокислыйBaWO42,27 
окись бериллияBeO 3,8 – 4,7 
окись кальцияCaO 1,8 – 2,4 
ортовольфрамат кальцияCa3WO62,13 
борид хромаCrB23,36 
окись цезияCs2O 1,0 – 1,17 
окись медиCuO 4,35 – 5,34 
закись медиCu2O 5,15 
окись железаFeO 3,85 
водаH2O 6,1 
карбид гафнияHfC 2,04 
оксид магнияMgO 3,1 – 4,4 
диборид марганцаMnB24,14 
диборид молибденаMoB23,38 
триоксид молибденаMoO34,25 
силицид молибденаMoSi25,0 – 6,0 
хлористый натрийNaCl 4,2 
борид ниобияNbB23,65 
карбид ниобияNbC 2,24 
окись никеляNiO 5,55 
борид скандияScB22,3 – 2,9 
кремнезёмSiO25,0 
окись стронцияSrO 2,0 – 2,6 
карбид танталаTaC 3,05 – 3,14 
пентаоксид танталаTa2O54,65 
дикарбид торияThC23,5 
оксид торияThO22,54 – 2,67 
сульфид титанаTiS 3,4 
диборид титанаTiB23,88 – 3,95 
карбид титанаTiC 2,35 – 3,35 
нитрид титанаTiN 2,92 
окись титанаTiO 2,96 – 3,1 
двуокись титанаTiO24,7 
карбид уранаUC 2,9 – 4,6 
диборид ванадияVB23,88 – 3,95 
диборид вольфрамаWB22,62 
диоксид вольфрамаWO24,96 
дисилицид вольфрамаWSi25,0 – 6,0 
борид цирконияZrB 4,48 
диборид цирконияZrB23,70 
карбид цирконияZrC 2,2 – 3,8 
нитрид цирконияZrN 2,92 

_______________

Источник информации:

1. Landolt-Borstein's Zahlenwerte und Funktionen aus Phsik, Chemie, Astrunumie, Geophysik, Thechnik, 6-е издание., Берлин, т. I, ч.4, 1955; т. II, ч.6, разд. 1, 1959.

2. В.С. Фоменко. Эмиссионные свойства элементов и химических соединений. Изд. АН УСССР, Киев, 1961.

Источник: https://infotables.ru/fizika/132-rabota-vykhoda-elektronov-iz-metallov-tablitsa

Таблица: Работа выхода электронов из металлов, не металлов и неорганических соединений

Работа выхода электронов

В металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении.

Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла.

Чтобы электрон мог выйти из металла за его пределы, должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работа выхода электрона из металла. Эта работа, естественно, различна для разных металлов.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:

Wp = -eφ , где j – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы.

В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, т.е.

Aвых = eφ

Этот результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и соответственно их энергия отлична от нуля.

Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми EF . Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ и энергии Ферми.

Aвых = eφ’ — EF

где φ’ – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: