Jev termoemise objevil v roce 1883 T. A. Edison při pokusech s uhlíkovou žárovkou. Edison umístil do žárovky další elektrodu. Po jejím připojení na kladné napětí tekl obvodem proud. Pokud bylo napětí záporné, proud netekl.
Termoemise vzniká v dostatečně zahřátém kovu, kdy jeho elektrony mají dostatečnou energii, aby mohly vyletět z kovu a volně se pohybovat v prostoru.
Na začátku 20. století jev termoemise zkoumali O. E. Richardson (za tuto práci obdržel v roce 1928 Nobelovu cenu za fyziku) (vysvětlení pomocí Maxwell - Boltzmannovy statistiky) a S. Dushmann (pomocí Fermi - Diracovy statistiky), který vytvořil vztah pro hustotu emisního proudu:
Richardson - Dushmanův vztah
i = BT2 exp {-(A/kT)}
A = e.φ
A - výstupní práce
B = (4πk2em)/b3
k - Boltzmanova konstanta (1,381 E-23 J.K-1)
e - náboj
m - hmotnost elektronu
h - Planckova konstanta (6,626 E-34 J.s)
Teoreticky je tedy hodnota konstanty B rovna 120 A.cm-2.K-2. Prakticky zjištěné hodnoty výstupní práce A a konstanty B závisí mj. na druhu kovu a čistotě jeho povrchu (viz tabulka).
| Kov | 104 B [A.m-2.K-2] | A [eV] |
|---|---|---|
| Barium | 60 | 2,52 |
| Cesium | 162 | 1,81 |
| Molybden | 55 | 4,15 |
| Nikl | 30 | 4,60 |
| Tórium | 60 | 3,35 |
| Vápník | 60 | 3,20 |
| Wolfram | 75 | 4,54 |
| W - Ba | 1,5 | 1,56 |
| W - Cs | 3,2 | 1,36 |
| W - Th | 3,0 | 2,63 |
V praxi
Termoemise je základ fungování elektronek a dalších vakuových součástek. Wolfram (W) s výstupní prací 4,54 eV se používá jako katoda v rentgenkách a elektronových mikroskopech – snese teploty přes 2 000 °C bez roztavení. Povrch wolframu pokrytý cesiem (W–Cs, výstupní práce pouze 1,36 eV) emituje elektrony výrazně snadněji a využívá se tam, kde je třeba intenzivní emise při nižší teplotě. Cesium samotné (1,81 eV) patří k nejlepším emitorům z čistých kovů.
Výstupní práce se udává v elektronvoltech (eV): 1 eV = 1,602 × 10-19 J. Čím nižší výstupní práce, tím méně energie elektron potřebuje k úniku z povrchu kovu.
Časté otázky
- Co je termoemise?
- Termoemise je jev, při němž elektrony unikají z povrchu zahřátého kovu. Nastává tehdy, kdy tepelná energie elektronů překoná výstupní práci daného kovu. Jev poprvé pozoroval T. A. Edison v roce 1883.
- Co je Richardsonův-Dushmanův vztah?
- Richardsonův-Dushmanův vztah popisuje hustotu emisního proudu při termoemisi: i = BT² exp{−(A/kT)}, kde T je teplota kovu, A je výstupní práce, k je Boltzmannova konstanta a B je materiálová konstanta. Teoretická hodnota konstanty B je 120 A·cm-2·K-2.
- Jaká je výstupní práce wolframu?
- Výstupní práce wolframu (W) je 4,54 eV. Wolfram se díky vysokému bodu tání a dostatečné výstupní práci používá jako katoda v elektronkách a rentgenkách.
- Který kov má nejnižší výstupní práci?
- Z kovů v tabulce má nejnižší výstupní práci povrch wolframu pokrytý cesiem (W–Cs): 1,36 eV. Čistý cesium má výstupní práci 1,81 eV. Nízká výstupní práce znamená, že elektrony snáze unikají již při nižší teplotě.
- Kde se termoemise prakticky využívá?
- Termoemise je základem funkce elektronek, katodových trubic (CRT), rentgenových trubic a elektronových mikroskopů. Zahřátá katoda emituje proud elektronů, který lze usměrňovat elektrickým nebo magnetickým polem.
- Kdo obdržel Nobelovu cenu za výzkum termoemise?
- Owen Willans Richardson obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1928 za výzkum termoemise a odvození zákona nesoucího jeho jméno.
Další zdroje
Zdroj: [17]