Thermoemission

In Metallen und anderen Festkörpern bewegen sich Elektronen innerhalb des Kristallgitters frei. Um den Festkörper zu verlassen, müssen sie jedoch eine Energiebarriere überwinden, die als Austrittsarbeit bezeichnet wird. Diese beschreibt die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus dem Material in den freien Raum zu lösen. Wird ein Material stark erhitzt, steigt die kinetische Energie der Elektronen. Da die Elektronen eine statistische Energieverteilung besitzen, erreichen bei steigender Temperatur immer mehr Elektronen Energien oberhalb der Austrittsarbeit. Diese Elektronen können die Oberfläche verlassen und werden emittiert.

Die Stromdichte der emittierten Elektronen wird durch die Richardson-Dushman-Gleichung beschrieben:

$${\displaystyle j=A\,T^{2}\,e^{-{\frac {\phi }{kT}}}}$$

• ${\displaystyle j}$ – Emissionsstromdichte
• ${\displaystyle A}$ – materialabhängige Richardson-Konstante
• ${\displaystyle T}$ – Temperatur der Oberfläche
• ${\displaystyle \phi }$ – Austrittsarbeit des Materials
• ${\displaystyle k}$ – Boltzmann-Konstante

Mit steigender Temperatur nimmt die Anzahl emittierter Elektronen daher exponentiell zu.

Röntgenröhre

In der Röntgenröhre dient die Thermoemission als Quelle der Elektronen. Die Kathode enthält ein beheiztes Filament, meist aus Wolfram, das durch einen Heizstrom auf Temperaturen von etwa 2.000–2.500 °C erhitzt wird. Durch diese starke Erwärmung treten Elektronen aus der Metalloberfläche aus und bilden eine Raumladungswolke in der Umgebung der Kathode. Durch die hohe Röhrenspannung zwischen Kathode und Anode werden diese Elektronen zur Anode beschleunigt. Beim Auftreffen der Elektronen auf das Anodenmaterial entsteht Wärme und Röntgenstrahlung.

Weitere Anwendungen

Thermoemission wird in weiteren elektronischen Geräten genutzt, beispielsweise in:

• Elektronenröhren
• Elektronenmikroskopen
• Kathodenstrahlröhren

In allen diesen Anwendungen dient die Thermoemission zur Erzeugung freier Elektronen für Elektronenstrahlen oder elektrische Ströme.