Katılardan Elektron Emisyonu: Tarihi ve Teorileri

Bazı katı maddeler ısıya (termiyonik emisyon), elektromanyetik radyasyona (foto emisyon) veya elektrik alanına (alan emisyonu) maruz kaldıklarında yüzeylerinden elektron yaymaktadırlar. Vakum tüpleri, çeşitli tezahürlerindeki katot ışını tüpleri ve elektron mikroskopları dahil olmak üzere elektroniklerin çoğu, metallerden elektron emisyonuna ve bu elektronların çeşitli görevleri yerine getirmesine bağlıdır. Bu yazıda katılardan elektron emisyonunun tarihi ve teorisi hakkında bilgiler yer almaktadır.

Tarih

Katılardan elektron emisyonu, bir gaz veya vakumda elektrik iletiminin altında yatan temel bir süreçtir ve bu nedenle, bilimsel olarak gözlemlenecek ilk fenomenler arasındadır. On sekizinci yüzyılın ortalarında, Jean-Antoine Nollet ve William Morgan, kısmen boşaltılmış tüplerde elektriksel deşarjın geçişinin elektrotlar arasında bir parıltı ürettiğini gösteren deneyler yapmışlardır. On dokuzuncu yüzyılda, Johann Hittorf ve Sir William Crookes bağımsız olarak vakum tüpünde bir katodun ürettiği radyasyonu araştırmışlardır, bu da görünmez bir ışık üretildiğini, bu da camın floresan ve gölgelenmesine neden olmuştur.

RETUSCHERAD

1897 yılında Joseph John Thompson, bu katodik ışınların aslında negatif yüklü parçacık (yani elektron) demeti olduğunu göstermiştir. Yük-kütle oranlarını ölçmüş, elektrik ve manyetik alanlardaki davranışlarını kaydetmiştir. Thomas Edison, 1884 yılında, amplifikatör tüplerinin öncüsü olan, boşaltılmış bir zarf içindeki elektrik alanındaki bir akkor telden oluşan bir termiyonik emisyon cihazı için bir patent almıştır. İlk araştırmacılar, klasik elektrik teorisi ile açıklanamayan ancak 1905 yılında Albert Einstein tarafından bir kuantum süreci ile doğru bir şekilde açıklanan bir gözlem olan dalga boyuna göre foto emisyon için keskin eşik değeri ile şaşkına dönmüştür.
Katot ışını tüpü (CRT)fosforlu bir ekranla donatılmış olan elektronik sinyaller, başlangıçta bilimsel enstrümantasyonda, osiloskop gibi cihazlarda, daha sonra televizyon ve bilgisayar ekranlarında görsel ekranlara dönüştürülmek için temel cihaz haline gelmiştir. Modern CRT cihazları, alan emisyonuna dayanan, termiyonik veya foto emisyon kaynaklarından daha fazla ömür, parlaklık ve odaklanma yeteneği sağlayan elektron tabancalarına güvenmektedir. CRT’deki elektron kaynağı, üçlüye benzer bir şekilde bir antenden veya bir bilgisayarın zayıf bir sinyalin mantık devresinden yükselticisi olarak işlev görmektedir. Bu elektron kaynağı, esasen bir boyutlu elektronik sinyalden iki boyutlu bir görüntü oluşturmak için elektron demetini fosforlu arka plan üzerinde sabit hızda hareket ettiren manyetik saptırıcıya da sahiptir.
Zworykin tarafından 1923 ve 1935 yılında İonoscope ve çarpan phototube sırasıyla icat edilmişler, televizyon ve video kameralar için zemin hazırlamışlardır. Televizyon kamerası, fotonları foto emisyon prensibi ile çalışan elektrik sinyallerine dönüştüren bir cihaz olarak tanımlanmaktadır. İlk sürümlerde tüpler vardı, ancak daha sonra kameralar yarı iletken teknolojisi kullanılmıştır. İletim ve tarama elektron mikroskopları, çok yüksek çözünürlüklü görüntüler üretmek için elektronların optik özelliklerini, özellikle daha kısa dalga boyunu kullanmaktadır. Ham modeller 1930’lu yıllarda Max Knoll ve Ernst Ruska tarafından geliştirilmiştir, ancak II. Dünya Savaşı’na kadar pratik elektron mikroskopları mevcut değildir. Transmisyon elektron mikroskopları maksimum parlaklık, minimum ıraksama ve yüksek odaklanabilirliğe sahip bir elektron ışını gerektirmektedir ve gittikçe daha sofistike elektron ışını teknolojisinin geliştirilmesine yönelik talepler vermeye devam etmektedir.
Elektron ışınları, yüksek hassasiyette yüksek hassasiyette enerji sağlayabilmektedir. 1950’li ve 1960’lı yılların başında, minyatür ölçekte kaynak, işleme ve metal rafinasyonunda elektron demeti kullanımı konusunda önemli araştırmalar yapılmıştır. Vakumda çalışma ihtiyacı nedeniyle bu cihazlar hantal ve bu teknoloji büyük ölçüde lazerler tarafından desteklenmiştir. Elektron ışınının manyetik manipülasyonuna dayanan çok güçlü ve esnek bir lazerin geliştirilmesi, elektron ışını teknolojisini enstrümantasyonun ön planına getirmiştir.

Genelleştirilmiş Teori

Bir metal içindeki elektronlar, tek tek dış kabuk elektronlarının bir elektrik alanının etkisi altında serbestçe hareket edebildiği bir elektron gazı formu olarak görselleştirilebilmektedir ve modellenebilmektedir. Elektronların bu hareketi elektrik devrelerinin işlevinden sorumludur. Bir metalin yüzeyinde, belirli koşullar karşılanmadıkça elektronların kaçmasını önleyen potansiyel bir bariyer bulunmaktadır, bunun üzerine metal çevredeki vakuma veya gaza elektron yaymaktadır. Bu emisyon, akımı taşıyan ve ışığın manipüle edildiği gibi birçok şekilde manipüle edilebilen bir serbest elektron demeti üretmektedir.
Elektrik ışınlarının hem akım taşıma hem de optik özellikleri, bu ışınların elektronikte vazgeçilmez olmasını sağlayan benzersiz yönlere sahiptir. Bir metalin yüzeyindeki elektronların davranışı kuantum etkisidir ve atomlara bağlı elektronlar ayrık enerji durumlarında bulunmaktadır. Zemin durumunda mutlak sıfır sıcaklığa karşılık gelen bir elektron bulunabilmekte veya enerjiyi emebilmektedir. Ve elektromanyetik radyasyon ile ısı veya ışınlama yoluyla ayrı bir yüksek enerji seviyesine yükseltilebilmektedir. Metallerde ve kristal katılarda, paylaşılan elektronlar, ayrı enerji seviyelerinden ziyade enerji bantlarını işgal etmektedir.
Elektronlar katı bir yüzeyden kaçamazlar çünkü bir dış kabuğun enerjisi, katıdaki yer durumu elektronu, vakumdaki serbest bir elektronun enerjisinden daha azdır. Bir elektronun yüzeyden fırlatılması için, çevredeki ortamdaki serbest elektronun enerjisine eşit veya daha yüksek bir enerjiye sahip olarak yüzey potansiyel bariyerini aşması veya bariyerden geçmesi gerekmektedir. Tünel açma fenomeninin, spesifik olduğu alan emisyonu bağlamında olduğu düşünülmektedir. Isıtılmış bir iletkenden elektronların fırlatılması, termiyonik emisyon olarak bilinmektedir. En temel haliyle termiyonik cihaz, ısıtılmış, negatif yüklü katottan elektron verici olarak işlev görmektedir ve her ikisi de bir vakum-tipik olarak bir cam tüp içine alınmış olan yayılan elektronları çekmek için pozitif yüklü bir anottan oluşmaktadır. Vakum gereklidir çünkü gazdan geçen elektronlar saçılmaktadır ve gazı ısıtmak için enerjilerini dağıtmaktadır. Ayrıca katot ile tüpte bulunan herhangi bir madde arasındaki kimyasal reaksiyonlar katodu zehirleyerek emisyonu azaltmaktadır. Yayılan elektronları çekmek için bir anot yoksa katotun etrafında bir boşluk yükünde birikerek elektron emisyonu için gereken enerjiyi arttırmaktadırlar.
Foto emisyon, elektromanyetik radyasyon olaylı bir fotonuyla metal veya elektromanyetik yarıiletken yüzeyine yakın bir elektron arasındaki etkileşime dayanmaktadır. Gelen fotonun enerjisi (E = hv, burada v frekanstır ve h Planck’ın sabiti) tamamen etkileşime girdiği elektron tarafından emilmektedir. Elektron emisyonu, foton enerjisi Fermi enerji seviyesi ile vakumdaki serbest elektron enerjisi arasındaki farkı aştığında meydana gelmektedir. Bu fark fotoelektrik eşik enerjisi olarak bilinmektedir ve bir metaldeki çalışma fonksiyonu ile aynıdır. Alan emisyonu veya soğuk emisyon, katot ile anot arasında yüksek bir voltaj farkı olduğunda ortaya çıkmaktadır. Elektrik alanının varlığı, metalin yüzeyindeki potansiyel bariyerin deformasyonuna ve incelmesine neden olmaktadır. Elektron bir parçacıktan ziyade bir dalga gibi davranmaktadır. Dalga fonksiyonu potansiyel bariyerde kaybolmaz, ancak elektronun bariyerin dışına yerleştirilmesinin sonlu olasılığı ile birlikte bozunmaktadır. Elektronun, üstesinden gelmek için enerji elde etmediği için bariyerin içinden geçtiği söylenmektedir.
Saha emisyon cihazındaki gerçek yayıcı, yuvarlak uçlu son derece ince bir telden oluşmaktadır. Çapı mikroskobik 100 angstrom olabilen uç, bir konide yayılan elektronların nokta kaynağı olarak işlev görmektedir. Alan emisyonu ve alan iyonizasyon mikroskoplarında, radyasyon yayılımının radyal paterni kendi büyütme sistemi olarak işlev görmektedir; elektron mikroskopları ve katot ışın tüpleri (CRT’ler) gibi diğer elektron ışını uygulamalarında, ışın elektromanyetik merceklerle odaklanmaktadır. Bariyerin en ince olduğu Fermi enerji seviyesindeki veya yakınındaki elektronlar alan emisyonuna en fazla katkıda bulunmaktadır. Bununla birlikte alan emisyonu sadece zayıf bir şekilde sıcaklığa bağlıdır. İkincil emisyon, bir elektron demetinden elektronlar, başka bir elektron demetini oluşturmak üzere elektronları bir hedeften kurtarmak için kullanıldığında meydana gelmektedir. Bir elektron üç ila otuz ikincil elektron üretebildiğinden, ikincil emisyon amplifikasyon ile sonuçlanmaktadır ve foto çoğaltıcı tüplerde kullanılmaktadır.

Kaynakça:
https://science.visualstories.com/electron-emission-from-solids-ii-applications
https://www.researchgate.net/publication/224467930_Electron_emission_theory_and_its_application_Fowler-Nordheim_equation_and_beyond

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu

Yorum Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This div height required for enabling the sticky sidebar