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THERMO-IONIQUE ÉMISSION

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.

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 :

h est la constante de Planck et m la masse de l'électron.

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 Fermi f par le nombre d'états possibles dN :

k est la constante de Boltzmann et T la température absolue.

Le facteur 2 vient du fait que deux électrons peuvent occuper chaque niveau d'énergie avec leurs signes en opposition ; W est l'énergie d'un niveau permis mesurée depuis le fond de la bande de conduction, ζ est le niveau d'énergie en dessous duquel tous les niveaux d'énergie sont occupés par des électrons à T = 0. Le nombre probable dn d'électrons ayant des vitesses comprises entre vx et vx + dvx, vy et vy + dvy, vz et vz + dvz est :

et le nombre d'électrons n′ émis dans la direction des x s'écrit :
  où D(vx) est la probabilité pour qu'un électron approchant la barrière de potentiel à la surface du métal avec une vitesse vx puisse passer dans le vide.

Énergie potentielle devant la surface d'un métal

Énergie potentielle devant la surface d'un métal

En ce qui concerne D(vx), il est nécessaire de connaître la forme de la barrière de potentiel à la surface. À cet effet, on peut écrire que l'énergie potentielle W(x) d'un électron de charge e situé à une distance x de la surface en présence d'un champ électrique E est :

où Wa désigne l'énergie au niveau de Fermi.

Soit ΔΦ = √ eE la variation du potentiel de sortie due à l'effet de champ. En première approximation, seuls les électrons ayant une énergie supérieure à Wa − eΔΦ franchiront la barrière de potentiel et les autres seront réfléchis :

ce qui donne respectivement :
si l'on a :

Cependant, cette loi n'est pas parfaite, car un petit nombre d'électrons qui ont une énergie supérieure à Wa − eΔΦ sont aussi réfléchis. On tient compte de ces effets[...]

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Écrit par

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Énergie potentielle devant la surface d'un métal

Énergie potentielle devant la surface d'un métal

Valeurs du coefficient A

Valeurs du coefficient A

Travail de sortie pour les métaux

Travail de sortie pour les métaux

Autres références

  • RICHARDSON OWEN WILLANS (1879-1959)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 225 mots

    Né le 26 avril 1879 à Dewsbury dans le Yorkshire (Grande-Bretagne) dans une famille d'industriels du textile, Owen Willans Richardson fit toutes ses études à l'université de Cambridge. Ses recherches à Cambridge sur l'effet thermoionique dans les années 1900-1901 lui valurent de recevoir le prix...

  • SCHOTTKY WALTER (1886-1976)

    • Écrit par Pierre AIGRAIN
    • 741 mots

    La longue vie de Walter Schottky est indissociable des progrès de l'électronique fondamentale et appliquée, dont on peut dire qu'il fut l'un des premiers protagonistes.

    Né à Zurich, d'un père mathématicien, Friedrich Schottky, le jeune Walter devait faire ses études à l'université...

  • SURFACE PHÉNOMÈNES DE

    • Écrit par Jean-François JOANNY, Jean SUZANNE
    • 6 265 mots
    • 4 médias
    ...l'intérieur du solide) et le niveau du vide proche de la surface, à l'intérieur du matériau et à une distance telle que la force image soit devenue négligeable. L'émission thermoïonique d'électrons suit la loi de Richardson-Dushman :
    i est la densité de courant maximale (saturation) émise par...

Voir aussi