L'émission thermo-ionique telle qu'elle est comprise aujourd'hui est une branche de la physique qui traite des divers phénomènes liés à l'éjection d'électrons d'un corps solide chauffé à une température suffisamment élevée. On substitue maintenant souvent à ce terme traditionnel le terme plus correct d'émission thermoélectronique. Il y a plus de deux cents ans, on découvrit que l'air, au voisinage des corps chauds, pouvait conduire l'électricité. Puis, vers 1897, Joseph John Thomson montra que les particules chargées émises par du carbone chauffé à haute température dans le vide étaient des électrons. Les progrès réalisés ensuite par la technique du vide ont permis, d'une part, d'éliminer un certain nombre de phénomènes parasites tels que l'empoisonnement de l'émission par les gaz résiduels, les contaminations de surface et, d'autre part, d'utiliser de façon reproductible et fiable l'émission thermo-ionique, en particulier dans les tubes électroniques.
Les fondements théoriques sont maintenant bien établis en ce qui concerne les métaux purs, et des progrès remarquables ont été effectués pour les alcalino-terreux, bien que de nombreuses inconnues subsistent encore.
1. Émission des métaux purs
• Équation fondamentale de l'émission d'électrons
Le modèle physique décrivant l'émission d'électrons est dû à Arnold Sommerfeld. D'après ce modèle, un cristal d'un métal est assimilé à un puits de potentiel contenant un gaz dégénéré d'électrons qui occupent dans le puits de potentiel un certain nombre d'états énergétiques. On peut calculer le nombre d'états dN qui occupent une énergie comprise entre E et E + dE :
Les électrons, qui se déplacent librement dans le métal et occupent différents niveaux d'énergie, ne peuvent s'échapper du métal, car ils sont retenus par des forces électriques à la surface de ce dernier. Le nombre d'électrons dn par unité de volume dans le métal et leur répartition énergétique sont donnés par le produit de la fonction de distribution de Fe […]
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