9.2. Контакт двух металлов. Контактная разность потенциалов

Приведенные в предыдущем параграфе данные о значениях тер­модинамических работ выхода различных металлов и величинах их химических потенциалов позволяют четко представить результат взаимодействия при приведении их в контакт.

Предположим, что два металла ( и ) и ( и ) находятся друг от друга настолько далеко, что непосредственный обмен электронами между ними от­сутствует. При одинаковой температуре в соответствии с уравнением Ричардсона—Дешмана (рис. 9.5) над их поверхностями образуются электронные облака различной плотности ( )

Рис. 9.5. Контакт — (до установления равновесия)

При сближении металлов электроны из облака у будут уходить в область около , имеющую более положительный потенциал. При этом металл за­ряжается положительно, его энергетические уровни, в том числе и пулевой, смещаются вниз. Металл заряжается отрицательно, для перехода к нему следующих электронов им приходится преодолевать дополнительное отталкивание, иными словами, энергетические уровни металла и его нулевой уровень смещаются вверх. Переходы электронов прекратятся тогда, когда уровни химических потенциа­лов контактирующих металлов не окажутся на одном горизонтальном уровне (рис. 9.6). Между свободными концами металлов устанавли­вается разность потенциалов, равная, как видно из рис. 9.6,

Рис. 9.6. Возникновение контактной разности потенциалов при установлении равновесия в системе –

. (9.7)

Эту разность называют внешней контактной разностью потенциалов. Она представляет собой разность потенциалов, устанавливаю­щуюся между нулевыми уровнями металлов, находящихся в равнове­сии друг с другом.

Экспериментально внешнюю контактную разность потенциалов можно измерить следующим образом. На пластины 1 и 2, помещен­ные в вакуум, подается некая разность потенциалов. При нагревании одной из пластин (обе сделаны вначале из одного металла, например вольфрама) с ее поверхности будут эмиттироваться электроны. Пода­вая на вторую пластину задерживающий потенциал ток между пластинами уменьшаем до нуля. При замене правой пластины пла­стиной из тантала задерживающий потенциал меняется. Это смеще­ние происходит под влиянием внешней контактной разности потен­циалов, возникающей между вольфрамом и танталом и равно в дан­ном случае В.

Из рис. 9.6 видно также, что после установления равновесия ки­нетическая энергия электронов, располагающихся на уровне Ферми, неодинакова: .

Так как в условиях равновесия при переходе электронов из металла в металл их полная энергия сохраняется, то ме­жду и должна существовать разность потенциалов

. (9,8)

Разность потенциалов между внутренними областями контак­тирующих металлов называют внутренней контактной разностью по­тенциалов.

Так как после установления равновесия плотность тока в металлах равна нулю, то и электрическое поле в любой точке объема металлов равно нулю. Поле существует только в тонком по­граничном слое, примыкающем к контакту.

Методов измерения внутренней контактной разности потенциалов до сих пор нет.