Электронной эмиссией называется процесс выхода электронов из твердых или жидких тел.

Термоэлектронная эмиссия - электронная эмиссия, обусловленная тепловым состоянием (температурой) тела, испускающего электроны.

Рис. 3-1. Энергетическая диаграмма металла и потенциальный барьер на границе металл - вакуум.
1 - распределение электронов по энергиям в металле;
2 - потенциальный барьер без внешнего электрического поля;
3 - энергия, сообщаемая электронам внешним однородным электрическим полем;
4 - потенциальный барьер при наличии ускоряющего электрического поля.

1 - распределение электронов по энергиям в металле; 2 - потенциальный барьер без внешнего электрического поля; 3 - энергия, сообщаемая электронам внешним однородным электрическим полем; 4 - потенциальный барьер при наличии ускоряющего электрического поля.

На рис. 3-1 показана энергетическая диаграмма металла. Косой штриховкой обозначены уровни энергии валентных электронов, заполненные полностью при Т=0 К. Горизонтальной штриховкой - свободные при Т=0 К разрешенные энергетические уровни.

Кривая 1 показывает распределение электронов по энергиям в металле при некоторой температуре его, отличной от 0 К.

Кривая 2 изображает (схематически) потенциальный барьер на границе металл - вакуум, препятствующий выходу электронов. Здесь Wo - полная высота потенциального барьера, характеризующая потерю энергии электроном при выходе из металла; - уровень Ферми (уровень электрохимического потенциала); - работа выхода электрона (j - работа выхода, выраженная в вольтах).

Термоэлектронная эмиссия чистых металлов описывается уравнением Ричардсона - Дешмана:

Здесь jэ - плотность тока термоэлектронной эмиссии, А/м²; Т - температура металла, К; А - постоянная для данного металла, А/(м² К2); k - постоянная Больцмана; j - работа выхода электронов, В.

Значения работы выхода j и константы А для некоторых материалов приведены в табл. 3-1.

Значения работы выхода и константы А для некоторых материалов
Материал j, В
Cs 1,89 1620000
Ва 2,29 600000
Th 3,41 700000
Та 4,12 600000
Мо 4,27 550000
W 4,54 750000
С 4,39 300000
Fe 4,36 260000
Ni 4,84 -
Pt 5,29 320000
Hg 4,52 -

Наиболее распространенным катодом из чистого металла является вольфрамовый.

Внешнее ускоряющее электрическое поле у поверхности катода приводит к снижению потенциального барьера (см. рис. 3-1, кривая 4) и вследствие этого к увеличению тока термоэлектронной эмиссии.

Увеличение эмиссии описывается уравнением Шоттки:

где электрического поля, А/см2, jэ - плотность тока эмиссии в отсутствие внешнего поля, определяемая по уравнению Ричардсона - Дешмана; Т - температура катода, К; Ек - напряженность внешнего электрического поля у поверхности катода, В/м.

Образование на поверхности металла мономолекулярных пленок электроположительных по отношению к нему веществ сопровождается поляризацией атомов пленки или их ионизацией и вследствие этого возникновением ускоряющего электрического поля, снижающего работу выхода j электронов из катода. Одновременно изменяется и постоянная А уравнения термоэлектронной эмиссии.

Наиболее распространенными в технике пленочными катодами являются катоды из торированных вольфрама и молибдена.

В табл. приведены постоянные j и А для некоторых пленочных катодов.

Постоянные для пленочных катодов
Тип катода j, В
Торий на вольфраме 2,63 30000
Торий на молибдене 2,59 15000
Торий на карбиде вольфрама 1,5 150
Барий на вольфраме 1,56 15000
Цезий на вольфраме 1,36 32000

Дополнительно по теме