§ 90. Испускание электронов накаленными телами.

Тепловое движение электронов в металле имеет беспорядочный характер, так что скорости отдельных электронов могут значительно отличаться друг от друга, подобно тому как это имеет место для молекул газа (см. том I). Это значит, что внутри металла всегда найдется некоторое число быстрых электронов, способных прорваться сквозь поверхность. Иными словами, если принятая нами картина строения металла верна, то должно происходить «испарение» электронов, подобное испарению жидкостей.

Однако при комнатных температурах условие (89.2) выполняется только для ничтожной доли электронов металла, и испарение электронов настолько слабо, что его обнаружить невозможно. Дело изменится, если нагреть металл до очень высокой температуры (1500-2000°С). В этом случае тепловые скорости увеличиваются, число вылетающих электронов возрастает, и испарение их можно легко наблюдать на опыте. Для подобного опыта может служить лампа Л (рис. 144), содержащая, кроме нити накала К (например, вольфрамовой), еще дополнительный электрод А. Воздух из лампы тщательно выкачан, чтобы не осложнять явления участием ионов воздуха. Лампа соединена с батареей Б1 и гальванометром Г так, что отрицательный полюс батареи соединен с нитью накала.

Рис. 144. Наблюдение выхода электронов из металлов: а) общий вид установки; б) схема опыта: Л – лампа, К – вольфрамовая нить, А – дополнительный электрод, Б1 – аккумуляторная батарея для создания напряжения между электродами А и К, Б2 – батарея для накаливания вольфрамовой нити, Г – гальванометр, Р – реостат для регулирования накала нити

При холодной нити гальванометр не показывает тока, так как между катодом и анодом нет ни ионов, ни электронов, которые могли бы переносить заряды. Если, однако, накалить нить при помощи вспомогательной батареи Б2 и постепенно увеличивать ток накала, то при белом калении нити в цепи появляется ток. Этот ток образуется испаряющимися из нити электронами, которые под действием приложенного электрического поля движутся от нити К к электроду А. Число электронов, испускаемых с единицы поверхности раскаленного катода, очень сильно зависит от его температуры и от материала, из которого он сделан (работа выхода). Поэтому наблюдаемый ток очень быстро возрастает с повышением температуры нити.

Если присоединить полюсы батареи Б1 так, чтобы нить оказалась соединенной с положительным полюсом, то тока в цепи не будет, как бы сильно мы ни нагревали нить. Это происходит потому, что электрическое поле теперь стремится двигать электроны от А к К и поэтому возвращает испарившиеся электроны обратно в нить накала. Этот опыт доказывает также, что из металлов испаряются только отрицательные электроны, но не положительные ионы, которые прочно связаны в кристаллической решетке металла (ср. § 9).

Описанное явление, носящее название термоэлектронной эмиссии, нашло себе разнообразные и важные применения.

90.1. Если между накаленной нитью и анодом электронной лампы приложить большое напряжение (несколько тысяч вольт) так, чтобы потенциал нити был отрицателен, то анод сильно раскаляется и может даже расплавиться. Объясните, почему это происходит?

90.2. Будет ли гальванометр показывать ток в цепи, содержащей две электронные лампы, включенные навстречу друг другу, как показано на рис. 145? Начертите схему включения ламп, при которой гальванометр обнаружит ток.

Рис. 145. К упражнению 90.2

90.3. С какой скоростью достигнут анода электронной лампы электроны, испарившиеся с накаленного катода и движущиеся к аноду под действием приложенного между анодом и катодом напряжения 200 В? Данные об электроне возьмите из задачи 89.1.

90.4. Наклейте на обычную осветительную лампу полоску оловянной бумаги и присоедините ее к электроскопу (рис. 146). Зарядите электроскоп положительно и включите ток в лампе. Повторите опыт, зарядив электроскоп отрицательно. Чем объяснить, что в первом случае при включении тока листки электроскопа спадают, а во втором нет?

Рис. 146. К упражнению 90.4