แหล่งกำเนิดของอิเล็กตรอน ชนิดของรังสีอิเล็กตรอน สาเหตุของการเกิดไอออไนเซชัน

เพื่อให้เข้าใจและอธิบายหลักการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องตอบคำถามต่อไปนี้: อิเล็กตรอนถูกแยกออกจากกันอย่างไรเราจะตอบในบทความนี้

ตามทฤษฎีสมัยใหม่ อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวกและรวมตัวกันเกือบเป็นมวลทั้งหมดของอะตอม และมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอยู่รอบนิวเคลียส อะตอมโดยรวมเป็นกลางทางไฟฟ้าดังนั้น ประจุของนิวเคลียสจะต้องเท่ากับประจุของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ

เนื่องจากสารเคมีทั้งหมดทำจากโมเลกุลและโมเลกุลทำจากอะตอม สารใดๆ ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซจึงเป็นแหล่งที่มีศักยภาพของอิเล็กตรอน ในความเป็นจริง สถานะรวมของสสารทั้งสามถูกใช้ในอุปกรณ์ทางเทคนิคเพื่อเป็นแหล่งของอิเล็กตรอน

แหล่งที่มาของอิเล็กตรอนที่สำคัญโดยเฉพาะคือโลหะ ซึ่งมักจะใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ในรูปแบบของสายไฟหรือริบบิ้น

คำถามเกิดขึ้น: หากเส้นใยดังกล่าวมีอิเล็กตรอนและหากอิเล็กตรอนเหล่านี้ค่อนข้างเป็นอิสระ นั่นคือ พวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระไม่มากก็น้อยภายในโลหะ (ซึ่งในกรณีนี้ เราเชื่อมั่นว่าแม้ความต่างศักย์จะน้อยมาก นำไปใช้กับปลายทั้งสองของด้ายดังกล่าวโดยตรงการไหลของอิเล็กตรอนไปตามนั้น) แล้วทำไมอิเล็กตรอนจึงไม่บินออกจากโลหะและภายใต้สภาวะปกติจะไม่สร้างแหล่งกำเนิดของอิเล็กตรอน? คำตอบง่ายๆ สำหรับคำถามนี้สามารถให้ได้บนพื้นฐานของทฤษฎีไฟฟ้าสถิตเบื้องต้น

สมมติว่าอิเล็กตรอนออกจากโลหะ จากนั้นโลหะควรได้รับประจุบวก เนื่องจากประจุของสัญญาณตรงข้ามดึงดูดกัน อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดอีกครั้งกับโลหะ เว้นแต่อิทธิพลภายนอกบางอย่างจะขัดขวางสิ่งนี้

มีหลายวิธีที่อิเล็กตรอนในโลหะจะได้รับพลังงานเพียงพอที่จะออกจากโลหะ:

1. รังสีความร้อน

รังสีความร้อนคือการปล่อยอิเล็กตรอนออกจากวัตถุที่มีไฟ รังสีความร้อนได้รับการศึกษาในของแข็งและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในโลหะและสารกึ่งตัวนำที่เกี่ยวข้องกับการใช้เป็นวัสดุสำหรับแคโทดความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และตัวแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า

ปรากฏการณ์ของการสูญเสียไฟฟ้าเชิงลบจากร่างกายเมื่อได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าความร้อนสีขาวเป็นที่ทราบกันมาตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 18 V. V. Petrov (1812), Thomas Edison (1889) และคนอื่นๆ ได้กำหนดกฎเชิงคุณภาพจำนวนหนึ่งของปรากฏการณ์นี้ ในช่วงทศวรรษที่ 1930 ความสัมพันธ์เชิงวิเคราะห์หลักระหว่างจำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา อุณหภูมิของร่างกาย และการทำงานได้รับการพิจารณา

กระแสที่ไหลผ่านไส้หลอดเมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปที่ปลายไส้หลอดจะทำให้ไส้หลอดร้อน เมื่ออุณหภูมิของโลหะสูงพอ อิเลคตรอนจะออกจากพื้นผิวของโลหะและหนีเข้าไปในอวกาศรอบๆ

โลหะที่ใช้ในวิธีนี้เรียกว่า เทอร์ไมโอนิกแคโทด และการปล่อยอิเล็กตรอนในลักษณะนี้เรียกว่า รังสีเทอร์ไมโอนิก กระบวนการที่ก่อให้เกิดการแผ่รังสีความร้อนนั้นคล้ายกับกระบวนการระเหยของโมเลกุลจากพื้นผิวของของเหลว

ทั้งสองกรณีต้องทำงานบางอย่างให้เสร็จ ในกรณีของของเหลว งานนี้คือความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ เท่ากับพลังงานที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนสารหนึ่งกรัมจากสถานะของเหลวเป็นก๊าซ

ในกรณีของรังสีความร้อน ฟังก์ชันการทำงานที่เรียกว่าเป็นพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการระเหยอิเล็กตรอนหนึ่งตัวออกจากโลหะ เครื่องขยายสัญญาณสุญญากาศที่ใช้ก่อนหน้านี้ในวิศวกรรมวิทยุมักจะมีแคโทดที่ใช้ความร้อน

2. การปล่อยแสง

การกระทำของแสงบนพื้นผิวของวัสดุต่าง ๆ ยังส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยอิเล็กตรอน พลังงานแสงถูกใช้เพื่อให้อิเล็กตรอนของสารมีพลังงานพิเศษที่จำเป็นเพื่อให้สามารถออกจากโลหะได้

วัสดุที่ใช้เป็นแหล่งของอิเล็กตรอนในวิธีนี้เรียกว่าโฟโตโวลตาอิกแคโทด และกระบวนการปล่อยอิเล็กตรอนเรียกว่า การปล่อยเซลล์แสงอาทิตย์หรือโฟโตอิเล็กตรอน… วิธีการปล่อยอิเล็กตรอนนี้เป็นพื้นฐานของตาไฟฟ้า— ตาแมว.

3. การปล่อยก๊าซทุติยภูมิ

เมื่ออนุภาค (อิเล็กตรอนหรือไอออนบวก) ชนกับพื้นผิวโลหะ พลังงานจลน์ส่วนหนึ่งของอนุภาคเหล่านี้หรือพลังงานจลน์ทั้งหมดของอนุภาคเหล่านี้สามารถถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปของโลหะ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อนุภาคเหล่านี้ได้รับพลังงานเพียงพอที่จะหลุดออกไป โลหะ กระบวนการนี้เรียกว่าการปล่อยอิเล็กตรอนทุติยภูมิ

4. การปล่อยมลพิษทางอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติ

หากมีสนามไฟฟ้าแรงมากอยู่ใกล้พื้นผิวของโลหะ มันสามารถดึงอิเล็กตรอนออกจากโลหะได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการปล่อยสนามหรือการปล่อยความเย็น

ปรอทเป็นโลหะชนิดเดียวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะแคโทดที่ปล่อยประจุภาคสนาม (ในวงจรเรียงกระแสปรอทแบบเก่า) แคโทดแบบปรอทช่วยให้กระแสมีความหนาแน่นสูงมาก และช่วยให้สามารถออกแบบวงจรเรียงกระแสได้ถึง 3000 กิโลวัตต์

อิเล็กตรอนสามารถถูกปลดปล่อยออกจากสารที่เป็นก๊าซได้หลายวิธี กระบวนการที่อะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนเรียกว่า ไอออนไนซ์… อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนเรียกว่าไอออนบวก

กระบวนการไอออไนเซชันสามารถเกิดขึ้นได้จากสาเหตุต่อไปนี้:

1. การโจมตีทางอิเล็กทรอนิกส์

อิเล็กตรอนอิสระในหลอดไฟที่เติมแก๊สสามารถได้รับพลังงานเพียงพอที่จะทำให้โมเลกุลหรืออะตอมของแก๊สแตกตัวเป็นไอออนได้เนื่องจากสนามไฟฟ้า กระบวนการนี้อาจมีลักษณะเป็นหิมะถล่มได้ เนื่องจากหลังจากกระแทกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมแล้ว ในอนาคตอิเล็กตรอนทั้งสองเมื่อชนกับอนุภาคก๊าซ จะสามารถปล่อยอิเล็กตรอนใหม่ได้

อิเล็กตรอนปฐมภูมิสามารถถูกปลดปล่อยออกจากของแข็งโดยวิธีการใดๆ ที่กล่าวถึงข้างต้น และบทบาทของของแข็งสามารถแสดงได้ทั้งโดยเปลือกซึ่งมีก๊าซปิดอยู่ และโดยขั้วไฟฟ้าใดๆ ที่อยู่ภายในหลอดไฟอิเล็กตรอนปฐมภูมิสามารถสร้างขึ้นได้จากการแผ่รังสีโซลาร์เซลล์

2. ไอออนไนซ์โฟโตอิเล็กทริก

หากก๊าซสัมผัสกับรังสีที่มองเห็นได้หรือมองไม่เห็น พลังงานของรังสีนั้นอาจเพียงพอ (เมื่อถูกดูดซับโดยอะตอม) เพื่อทำให้อิเล็กตรอนบางส่วนหลุดออกไป กลไกนี้มีบทบาทสำคัญในการปล่อยก๊าซบางประเภท นอกจากนี้ โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์สามารถเกิดขึ้นได้ในก๊าซเนื่องจากการปล่อยอนุภาคกระตุ้นจากตัวก๊าซเอง

3. การโจมตีด้วยไอออนบวก

ไอออนบวกที่กระทบกับโมเลกุลของก๊าซที่เป็นกลางสามารถปล่อยอิเล็กตรอนได้ เช่นในกรณีของการระดมยิงอิเล็กตรอน

4. ไอออนไนซ์ความร้อน

ถ้าอุณหภูมิของแก๊สสูงพอ อิเล็กตรอนบางตัวที่ประกอบกันเป็นโมเลกุลจะได้รับพลังงานมากพอที่จะออกจากอะตอมของแก๊สนั้น ปรากฏการณ์นี้คล้ายกับการแผ่รังสีเทอร์โมอิเล็กทริกจากโลหะ การแผ่รังสี ประเภทนี้มีบทบาทเฉพาะในกรณีของส่วนโค้งที่มีกำลังสูงที่ความดันสูง

บทบาทที่สำคัญที่สุดคือการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซอันเป็นผลมาจากการทิ้งระเบิดอิเล็กตรอน โฟโตอิเล็กทริกไอออไนเซชันมีความสำคัญในการปล่อยก๊าซบางประเภท กระบวนการที่เหลือมีความสำคัญน้อยกว่า

จนกระทั่งเมื่อเร็ว ๆ นี้ อุปกรณ์สุญญากาศที่มีการออกแบบต่าง ๆ ถูกนำมาใช้ทุกที่: ในเทคโนโลยีการสื่อสาร (โดยเฉพาะการสื่อสารทางวิทยุ) ในเรดาร์ ในพลังงาน ในการผลิตเครื่องมือ ฯลฯ

การใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าในด้านพลังงานประกอบด้วยการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง (rectification) การแปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับ (inverting) การเปลี่ยนความถี่ การปรับความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้า การควบคุมแรงดันของกระแสสลับโดยอัตโนมัติ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง การเปิดปิดไฟฟ้าที่สำคัญในงานเชื่อมไฟฟ้า การควบคุมแสงสว่าง

หลอดอิเล็กตรอน — ประวัติ หลักการทำงาน การออกแบบ และการประยุกต์ใช้

การใช้ปฏิสัมพันธ์ของรังสีกับอิเล็กตรอนนำไปสู่การสร้างโฟโตเซลล์และแหล่งกำเนิดแสงที่ปล่อยก๊าซ: นีออน ปรอท และหลอดฟลูออเรสเซนต์ การควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์มีความสำคัญสูงสุดในระบบไฟแสดงละครและอุตสาหกรรม

ปัจจุบัน กระบวนการทั้งหมดนี้ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์และใช้สำหรับให้แสงสว่าง เทคโนโลยีแอลอีดี.