1、电弧物理电弧物理 主讲教师：黄健康主讲教师：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第一章 电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.1 1.1.1 气体粒子动能和温度关系气体粒子动能和温度关系 理想气体的状态方程理想气体的状态方程(equation of state)(equation of state)：气：气体的体的p p、V V、T T之间的关系式之间的关系式1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度LmolMpVRTpVN kTpnkTM23168.31/()6
2、.023 10(/)1.380 10/(/)LLLRJmol KNkR NJKnNV摩尔气体常数摩尔气体常数阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数粒子密度数粒子密度数电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.1 1.1.1 气体粒子动能和温度关系气体粒子动能和温度关系1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度pnkT分子碰撞面积为分子碰撞面积为A A的器壁前的器壁前分子碰撞器壁后分子碰撞器壁后231tr22mCKkT 温度的微观意义温度的微观意义电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.1 1.1.1 气体粒子动能和温度关系气体粒子动能和温
3、度关系1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度xvLt2xxvmp2LmvLvmvLvmtpFxxxxxxav22,/22分子的动量改变为分子的动量改变为在下次碰撞发生前在下次碰撞发生前 牛顿第二定律、冲量定理牛顿第二定律、冲量定理 电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.1 1.1.1 气体粒子动能和温度关系气体粒子动能和温度关系1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度2xavvLNmFNF2xvALNmAFP2xvVNmP 容器内共有N个分子：电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.1 1.1.1 气体粒子动能和温度关系气体粒子动
4、能和温度关系1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度trtr3232KVNVKNP平均动能为平均动能为气体压力为气体压力为NPVK23trPVNkTkTK23tr2rms21221trmmKmkT3rms均方根速度均方根速度 单原子单原子气体温度气体温度T T，就是从，就是从整体上观整体上观察气体粒子总动量的量度察气体粒子总动量的量度电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1.1.2 麦克斯韦速度分布律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，平衡态下，理想气体分子速度分布是有规律的，这个规律叫这个规律叫麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律
5、，若不考虑分子速度，若不考虑分子速度的方向，则叫的方向，则叫麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律。1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度实验装置实验装置llvv2lHg金属蒸汽金属蒸汽显示屏显示屏狭狭缝缝接抽气泵接抽气泵电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1.1.2 麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度v)(vfoSfNNdd)(dvvvvvvvvdd1lim1lim)(00NNNNNNf分布函数分布函数 表示速率在表示速率在 区间的分子数占总分子数的区间的分子数占总分子数的百分比百分比.vvvdvv
6、v dSd 表示在温度为表示在温度为 的平衡的平衡状态下，速率在状态下，速率在 附近附近单位单位速率区间速率区间 的分子数占总数的的分子数占总数的百分比百分比.v物理意义物理意义T电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1.1.2 麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度曲线下面积恒为曲线下面积恒为11)(0df几何意义几何意义oNNddNNf)(dod)(f电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1.1.2 麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度vvv
7、de)2(4d22232kTmkTmNN22232e)2(4)(vvvkTmkTmf麦氏分布函数：麦氏分布函数：反映理想气体在热反映理想气体在热动平衡条件下，各速率区动平衡条件下，各速率区间分子数占总分子数的百间分子数占总分子数的百分比的规律分比的规律 .vvNddNf)(v)(vfo电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1.1.2 麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度三种统计速率三种统计速率pvA A、最概然速率、最概然速率0d)(dpvvvvfmkTmkT41.12pvMRT41.1p vkNRmNMAA,v)(v
8、fopvmaxf根据分布函数求得根据分布函数求得 气体在一定温度下分布在最概然气体在一定温度下分布在最概然速率速率 附近单位速率间隔内的相对附近单位速率间隔内的相对分子数最多分子数最多.pv物理意义物理意义电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1.1.2 麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度NNNNNnniidddd2211vvvvvB、平均速率、平均速率vNNfNNN00d)(dvvvvvmkTf8d)(0vvvvMRTmkT60.160.1vv)(vfo电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1
9、.1.2 麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度C、方均根速率、方均根速率2vmkT32vMRTmkT332rmsvvv)(vfoNNfNNN02022d)(dvvvvvMRTmkT60.160.1vMRTmkT22pv电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1.1.2 麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度pvv2v都与都与 成正比，成正比，与与 （或（或 ）成反比）成反比TM f(v)vpvv2v2pvvv电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.2 1
10、.1.2 麦克斯韦速度分布律麦克斯韦速度分布律1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度 同一温度下不同一温度下不同气体的速率分布同气体的速率分布2H2O0pvpHvv)(vfo N2 分子在不同分子在不同温度下的速率分布温度下的速率分布KT30011pv2pvKT12002v)(vfomkT2pvmkT8vmkT32v电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.3 1.1.3 单位时间通过单位面积的粒子数单位时间通过单位面积的粒子数1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度,()()/242Nnu udNNf u dunuf u dunCPNn kTmmk
11、T为粒子速度分量电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.4 1.1.4 玻尔兹曼关系玻尔兹曼关系 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过程方向性的玻尔兹曼H H定理，建立了玻尔兹曼熵公式。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，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但一般说来，主要决定系统宏观性质
12、的还是微观粒子的能量分布。分布。量子理论指出：任何微观粒子的能量都不连续，而量子理论指出：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：能量最低的能级能级基态；其余能级基态；其余能级激发态。激发态。1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度玻尔兹曼玻尔兹曼12/212211,WkTneWWWn玻尔兹曼关系式玻尔兹曼关系式/21/21,Mgx kTev kTnennen高度差，重力，电势差电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.5 1.1.5 平均自由程平均自由程 1.11.1、气体粒子的运
13、动、气体粒子的运动-温度温度1.60molRTvM氮气分子在氮气分子在270C时的平均速率为时的平均速率为476m/s.矛盾矛盾气体分子热运动平均速率高，气体分子热运动平均速率高，但气体扩散过程进行得相当慢。但气体扩散过程进行得相当慢。克劳修斯指出：气体分子的速度虽然很大，但前克劳修斯指出：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。子运动方向就发生改变，所走的路程非常曲折。气体分子气体分子平均速率平均速率电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.5 1.1.5 平均自由
14、程平均自由程 1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度AB 在相同的在相同的 t时间内，分子由时间内，分子由A到到B的位移大小比它的路程小得多的位移大小比它的路程小得多扩散速率扩散速率(位移量位移量/时间时间)平均速率平均速率(路程路程/时间时间)分子分子自由程自由程:气体分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程。气体分子两次相邻碰撞之间自由通过的路程。分子分子碰撞频率碰撞频率:单位时间内一个分子与其他分子碰撞的次数。单位时间内一个分子与其他分子碰撞的次数。电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.5 1.1.5 平均自由程平均自由程 1.11.1、气体粒子的运动、气体粒
15、子的运动-温度温度 大量分子的分子自由程与每秒碰撞次数服从统计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。分布规律。可以求出平均自由程和平均碰撞次数。假假定定每个分子都是有效直径为每个分子都是有效直径为d 的弹性小球。的弹性小球。只有某一个分子只有某一个分子A以平均速率以平均速率 运动，运动，其余分子都静止。其余分子都静止。vA、平均碰撞次数、平均碰撞次数A dddvv电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.5 1.1.5 平均自由程平均自由程 1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度A dddvv运动方向上，以运动方向上
16、，以 d d 为半径的圆柱为半径的圆柱体内的分子都将体内的分子都将与分子与分子A A 碰撞碰撞球心在圆柱球心在圆柱体内的分子体内的分子一秒钟内一秒钟内:分子分子A经过路程为经过路程为v相应圆柱体体积为相应圆柱体体积为vd2 圆柱体内圆柱体内分子数分子数nvd2 nvdZ2 一秒钟内一秒钟内A与其它分子与其它分子发生碰撞的发生碰撞的平均次数平均次数nvdZ2 一切分子都在运动一切分子都在运动nvdZ22 电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.5 1.1.5 平均自由程平均自由程 1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度一秒钟内分子一秒钟内分子A经过路程为经过路程为
17、v一秒钟内一秒钟内A与其它分子发生碰撞的平均次数与其它分子发生碰撞的平均次数Z平均自由程平均自由程212vZd n与分子的有效直径的平方和分子数密度成反比与分子的有效直径的平方和分子数密度成反比nkTp B、平均自由程、平均自由程pdkT22 平均自由程与平均平均自由程与平均 速率无关，与分子有速率无关，与分子有效直效直 径及分子数密度有关。径及分子数密度有关。当温度恒定时当温度恒定时,平均平均自由程与气体压强成自由程与气体压强成反比反比每秒钟一个分子竟发生几十亿次碰撞！每秒钟一个分子竟发生几十亿次碰撞！电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.6 1.1.6 自由程的发布自由程
18、的发布 1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.7 1.1.7 扩散扩散 扩散：物体内各部分密度不均匀时，物质由密扩散：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度大往密度小的地方迁移的现象。1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动-温度温度dnMdqDDSdxtdx vD31扩散系数扩散系数胡克胡克(Fick)(Fick)第二定律第二定律电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.1.8 1.1.8 气体粒子的碰撞气体粒子的碰撞-能量交换能量交换 1.11.1、气体粒子的运动、气体粒子的运动
19、-温度温度遵循能量守恒、动量守恒遵循能量守恒、动量守恒电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.1 1.2.1 原子外壳原子外壳 1.21.2、电离、电离222,2emr mnrr 电子电子轨道杂化轨道杂化电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.1 1.2.1 原子外壳原子外壳 价电子价电子：价电子指原子核外电子中能与其他原：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。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，次外电子；过渡元素的价电子不仅是最
20、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层电子及某些元素的倒数第三层电子也可成为价电子。子。一个原子可以跟邻近原子分享电子，一条共价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。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。价电子同时亦决定该元素的电导性能。1.21.2、电离、电离电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.2 1.2.2 电离点位，激发点位电离点位，激发点位 电离电位电离电位 当原子获得足够大的能量而其一个当原子获得足够大的能量而其一个或某些外层电子脱离该原子核的作用力范围，成为或
21、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。电位是不同的。1.21.2、电离、电离电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.2 1.2
22、.2 电离点位，激发点位电离点位，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，通常以迁至激发态所需的能量称为激发电位，通常以evev为为单位。单位。1.21.2、电离、电离电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.3 1.2.3 辐射辐射-发光发光 被激发而处于高能级的电子是不稳定的，在很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。去。能量将以光子的形势放出。1.21.2、电离、电离电离和电
23、子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.4 1.2.4 电离的种类电离的种类A A、碰撞电离、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。离。B B、光电离、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。出的现象。C C、热电离、热电离 气体被加热到高温，则高速粒子群中能量气体被加热到高温，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，特
24、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。这种气体高温下电离现象为热电离。1.21.2、电离、电离电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.4 1.2.4 电离的种类电离的种类C C、热电离、热电离 1.21.2、电离、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。电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.5 1.2.5 热电离，热分解热电离，热分解1.21.2、电离、电离电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.6 1.2.6 热电离的沙哈热电离的沙哈(Saha)(Saha)
25、公式公式1.21.2、电离、电离SAHA SAHA 方程方程 在仅含单种气体的完全平衡和局域热力学平衡等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离子体中存在着电离平衡:A+wi A+wi A+e A+eSAHASAHA推导出如下方程推导出如下方程:a a2 2/(1-a/(1-a2 2)P=)P=2.42.41010-4-4 (T T 5/25/2)exp(-wi/kT)exp(-wi/kT)P P 气压气压 (Torr)(Torr)T T 绝对温度绝对温度 (K)K)wiwi 气体分子（原子）电离电位气体分子（原子）电离电位 (eV)(eV)k k BoltzmanB
26、oltzman常数常数 (8.614(8.61410-5 eV10-5 eVdeg-1)deg-1)电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.6 1.2.6 热电离的沙哈热电离的沙哈(Saha)(Saha)公式公式1.21.2、电离、电离SAHA SAHA 方程方程 在仅含单种气体的完全平衡和局域热力学平衡等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离子体中存在着电离平衡:A+wi A+wi A+e A+eSAHASAHA推导出如下方程推导出如下方程:a a2 2/(1-a/(1-a2 2)P=)P=2.42.41010-4-4 (T T 5/25/2)ex
27、p(-wi/kT)exp(-wi/kT)P P 气压气压 (Torr)(Torr)T T 绝对温度绝对温度 (K)K)wiwi 气体分子（原子）电离电位气体分子（原子）电离电位 (eV)(eV)k k BoltzmanBoltzman常数常数 (8.614(8.61410-5 eV10-5 eVdeg-1)deg-1)电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.6 1.2.6 热电离的沙哈热电离的沙哈(Saha)(Saha)公式公式1.21.2、电离、电离 常压热平衡条件下常压热平衡条件下氮等离子体氮等离子体的电离度的电离度 a a 随温度变化：随温度变化：T T(K K )a a
28、5,000 3.25,000 3.210-710-710,000 0.006510,000 0.006515,00015,000 0.22 0.2220,000 0.8220,000 0.82电离过程电离过程:e+A A+2ekion P2三体复合过程三体复合过程:e+A+M A+Mkrecom P3电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.6 1.2.6 热电离的沙哈热电离的沙哈(Saha)(Saha)公式公式1.21.2、电离、电离电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.2.7 1.2.7 阴离子的形成阴离子的形成 阴离子是指原子由于外界作用得到一个或几个阴离子是
29、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。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，核电荷数阴离子是带负电荷的离子，核电荷数=质子数核质子数核外电子数，所带负电荷数等于原子得到的电子数。外电子数，所带负电荷数等于原子得到的电子数。1.21.2、电离、电离附着附着(attachment)(attachment)碰撞碰撞 （当（当A A具有正电子亲合势时）具有正电子亲合势时）e e+A+M+A+M A-A-+M+M电离和电子发射等基础知识电离和电子
30、发射等基础知识1.3.1 1.3.1 电子发射电子发射-功函数功函数 金属键形象地描绘成从金属原子上金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落脱落”下来的大量下来的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的自由电子形成可与气体相比拟的带负电的“电子气电子气”，金属，金属原子则原子则“浸泡浸泡”在在“电子气电子气”的的“海洋海洋”之中。之中。1.31.3、电子发射、电子发射电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.1 1.3.1 电子发射电子发射-功函数功函数 1.31.3、电子发射、电子发射02220(2)4greeWdrrr电子飞出表面必需具有一定能量，记为电子飞出表面必需具有一定能量
31、，记为eVw，则称则称VwVw为为功函数功函数电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.2 1.3.2 热电子发射热电子发射 热电子发射热电子发射：电子从外界获得热能逸出金属的：电子从外界获得热能逸出金属的现象称为热电子发射。现象称为热电子发射。1.31.3、电子发射、电子发射B2ek TjAT发射电流密度：发射电流密度：道舒曼公式道舒曼公式服从麦克斯韦发布服从麦克斯韦发布电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.2 1.3.2 热电子发射热电子发射费米费米-狄拉克分布狄拉克分布：1.31.3、电子发射、电子发射323210222/308()()/13()8kkm
32、cNdNNF c dcdcn hmcWkTnhWmB2ek TjAT费米能级费米能级wgkWWW电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.2 1.3.2 热电子发射热电子发射1.31.3、电子发射、电子发射()wpI V W 阴极发射电子而使得能量损阴极发射电子而使得能量损失造成阴极表面的冷却。失造成阴极表面的冷却。热电子发射就是一种金属表热电子发射就是一种金属表面的电子气化现象。面的电子气化现象。wpI V 阳极则流入电子流，以凝固阳极则流入电子流，以凝固热的形式吸收功率。热的形式吸收功率。能能量量传传输输热电子以指数形式增加，辐射热电子以指数形式增加，辐射以温度的以温度的4
33、4方增加，热电子传方增加，热电子传输的功率远远大于辐射输的功率远远大于辐射电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.3 1.3.3 复合电极的热电子发射复合电极的热电子发射钍钨阴极和氧化物钍钨阴极和氧化物 涂层阴极涂层阴极 当阴极表面存在氧化物时，电子发射变得容易很多。当阴极表面存在氧化物时，电子发射变得容易很多。1.31.3、电子发射、电子发射hmc电子波动性电子波动性还有一部分电子，在某种原因下，电还有一部分电子，在某种原因下，电子被势垒反射回金属内部。子被势垒反射回金属内部。E电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.3 1.3.3 复合电极的热电子发射复合电
34、极的热电子发射钍钨阴极和氧化物钍钨阴极和氧化物 涂层阴极涂层阴极1.31.3、电子发射、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：括铍面。碱金属：括铍(Be)(Be)、镁、镁(Mg)(Mg)、钙、钙(Ca)(Ca)、锶、锶(Sr)(Sr)、钡、钡(Ba)(Ba)、镭、镭(Ra)(Ra)六种金属元素。六种金属元素。钛白粉人造金红石钛铁矿还原钛铁矿云母白泥长石石英大理石白云石中碳锰铁45#硅铁萤石钛铁结422(E4303)/g6-158-320-220-305
35、-129-147-120-35-147-129-14000结507(E5015)/g2-100002-5003-930-5005-65-1012-2010-13电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.4 1.3.4 肖脱基效应肖脱基效应(Schottky effect)(Schottky effect)和自发射和自发射 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须在阴极和阳极间外加一个加速电场EaEa然而由于然而由于EaEa的存在的存在使阴极表面的势垒使阴极表面的势垒EbEb降低，因而逸出功减
36、小，发射电流增降低，因而逸出功减小，发射电流增大这一现象称为大这一现象称为肖脱基肖脱基(Scholtky)(Scholtky)效应效应可以证明，在加可以证明，在加速电场速电场EaEa的作用下，阴极发射电流的作用下，阴极发射电流IaIa与与EaEa有如下的关系：有如下的关系：1.31.3、电子发射、电子发射0.439EaTaII e 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 电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.51.3.5其它
37、电子发射其它电子发射A A 光电子发射光电子发射B B 电子和离子轰击下的二次发射电子和离子轰击下的二次发射1.31.3、电子发射、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离子或电子的速度、入射角、物体的性质及物体表面的状态。电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.3.5 1.3.5 接触电位差接触电位差1.31.3、电子发射、电子发射ABABVVV+-+-VAVB接触电势差接触电势差A A+两种金属外部空间中的电位差等于其功函数之差，两种金属外部空间中的电位差等于其功函数之差，也就是也就是接触
38、电位差接触电位差。电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.4.1 1.4.1 电子在真空中的运动电子在真空中的运动1.41.4、带电粒子的运动、带电粒子的运动22dud xfe Xmmdtdt3/20229Vejm d真空管电流公式真空管电流公式：电流并不遵循：电流并不遵循流经普通电阻适用的欧姆定律，流经普通电阻适用的欧姆定律，而是与电压的而是与电压的3/23/2次方成正比，与次方成正比，与距离的平方成反比。距离的平方成反比。能量从阴极通过空间后，在阳极产能量从阴极通过空间后，在阳极产热，在路径中没有热产生。热，在路径中没有热产生。电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1
39、.4.1 1.4.1 电子在真空中的运动电子在真空中的运动1.41.4、带电粒子的运动、带电粒子的运动热电子极限电流热电子极限电流空间电荷极限电流空间电荷极限电流电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.4.2 1.4.2 带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动电子的温度和中电子的温度和中 性气体温度性气体温度1.41.4、带电粒子的运动、带电粒子的运动 方向不规则的运动正反映出电子气的方向不规则的运动正反映出电子气的温度，因此被电场加速到很高速度的电子温度，因此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，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
40、子也或多或少的要获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，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的粒子气体：高温电子气体和低温中性气体。体。电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.4.3 1.4.3 迁移率迁移率1.41.4、带电粒子的运动、带电粒子的运动2,/121122eeeeeeeeae XmCeXlmleXeuXmm CeuXm CeKm C飞行时间：飞行时间：电子在
41、电场方向电子在电场方向移动的平均距离：移动的平均距离：电场方向速度：电场方向速度：签约率：签约率：电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.4.3 1.4.3 迁移率迁移率1.41.4、带电粒子的运动、带电粒子的运动电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.4.4 1.4.4 电子温度和气体温度电子温度和气体温度1.41.4、带电粒子的运动、带电粒子的运动 电子在移动一个平均自由程期间从电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场获得的能量要比电子以温度形式所拥有的能量小得多。的能量小得多。在在11000K11000K时，电子温度与中性粒子温时，
42、电子温度与中性粒子温度比为度比为1.111.11左右。非常接近。左右。非常接近。电子的温度在电子的温度在1010纳秒就能平衡。纳秒就能平衡。电子碰撞中性粒子，把能量传递给中电子碰撞中性粒子，把能量传递给中性粒子，中性粒子在性粒子，中性粒子在1 1微秒温度就能平衡。微秒温度就能平衡。电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.4.5 1.4.5 带电粒子的扩散带电粒子的扩散1.41.4、带电粒子的运动、带电粒子的运动 离子扩散速度低于中性粒子：离子扩散速度低于中性粒子：由于离子周围聚集着中性粒子，由于离子周围聚集着中性粒子，造成其有效截面积和质量增加的缘故。造成其有效截面积和质量增加的缘
43、故。当带电粒子带有同种电荷时，相互排斥，可促进扩散。但在电当带电粒子带有同种电荷时，相互排斥，可促进扩散。但在电弧弧柱，电子与阳粒子密度相当高，密度相等，这种情况下，正负弧弧柱，电子与阳粒子密度相当高，密度相等，这种情况下，正负电荷相互吸引，有以整体方式扩散的倾向。电荷相互吸引，有以整体方式扩散的倾向。由于电子扩散速度比阳离由于电子扩散速度比阳离子大得多，从而形成电弧弧柱子大得多，从而形成电弧弧柱周边电子多，中性阳粒子多，周边电子多，中性阳粒子多，两区产生吸引力，从而阻碍电两区产生吸引力，从而阻碍电子扩散，促进阳离子扩散，这子扩散，促进阳离子扩散，这种形式的扩散称为双极性扩散。种形式的扩散称为双极性扩散。电离和电子发射等基础知识电离和电子发射等基础知识1.4.6 1.4.6 复合复合1.41.4、带电粒子的运动、带电粒子的运动 电弧（或辉光）放电空间同时存在着电子，阳离子和阴离子时，电弧（或辉光）放电空间同时存在着电子，阳离子和阴离子时，它们有时会再次结合为中性粒子。这种现象叫：它们有时会再次结合为中性粒子。这种现象叫：复合复合
