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Comme son nom l'indique, l'émission d'électrons thermioniques est le phénomène par lequel des électrons sont libérés et émis par une surface métallique en raison d'une augmentation de sa température.
Modèle d'atome de Rutherford-Bohr
Les électrons d'un atome sont dans un état de mouvement constant, chacun possédant sa propre énergie cinétique lorsqu'ils gravitent autour du noyau au centre de l'atome. Le modèle Rutherford-Bohr de l'atome, proposé par Niels Bohr et Ernest Rutherford au début du 20e siècle, stipule que l'orbite de chacun de ces électrons dépend de leur énergie cinétique particulière, les électrons ayant une énergie cinétique plus élevée orbitant plus loin du centre de l'atome.
Les niveaux discrets auxquels ces électrons orbitent sont connus sous le nom de niveaux d'énergie, comptant à partir du centre de l'atome. Un électron dans un atome peut monter d'un niveau d'énergie s'il gagne de l'énergie cinétique, ou descendre d'un niveau d'énergie s'il perd de l'énergie cinétique. Le modèle de Rutherford-Bohr , bien qu'il ne raconte pas toute l'histoire de la structure des atomes, est utile pour comprendre la relation entre le comportement des électrons et les interactions énergétiques au sein de l'atome. En fait, c'est en connaissant ces niveaux d'énergie que l'on peut expliquer la découverte par Becquerel, à son insu, de l'émission thermionique d'électrons .
Théorie de l'émission thermionique d'électrons
Comment le modèle de Rutherford-Bohr permet-il alors d'expliquer l'émission thermionique d'électrons ? En termes simples, l'émission d'électrons se produit lorsque l'énergie cinétique d'un électron devient suffisamment importante pour échapper à la force d'attraction du noyau chargé positivement. Cela peut se produire de différentes manières, mais dans le cas de l'émission thermionique d'électrons, les électrons de l'atome gagnent de l'énergie cinétique lorsque la température de l'atome augmente. À mesure que la température de l'atome augmente, ses électrons gagnent de l'énergie, remontant les niveaux d'énergie en s'éloignant du noyau jusqu'à ce qu'un point critique d'énergie cinétique soit atteint.
Ce point critique est connu sous le nom de "fonction de travail" du métal, . Il s'agit d'une propriété intrinsèque d'un matériau donné. Il est défini comme la "quantité minimale d'énergie nécessaire pour enlever un électron de la surface d'un matériau". Une fois que cette fonction de travail est atteinte, les électrons progressent au-delà du dernier niveau d'énergie et l'émission d'électrons se produit. Ces électrons sont alors appelés électrons libres ou thermions.
Il est important de noter que le terme "thermion" peut également désigner tout porteur de charge émis en raison d'un échauffement, comme les ions.
Ce phénomène, bien que découvert plus tôt par Becquerel et Guthrie, a été appelé pendant un certain temps l'effet Edison. Edison, alors qu'il menait des expériences pour améliorer sa nouvelle lampe à incandescence, a découvert que le courant circulait dans le vide d'un filament chauffé vers une surface métallique plus froide. Des années plus tard, cette découverte ouvrira la voie à l'invention du tube cathodique, puis du canon à électrons.
L'émission thermionique d'électrons et le canon à électrons
Le canon à électrons est un composant électrique qui produit un faisceau concentré d'électrons. Il repose sur les principes de l'émission thermionique d'électrons et est principalement utilisé dans la conception des tubes cathodiques.
Le canon à électrons de base se compose de trois éléments principaux : une cathode à filament métallique qui émet des électrons libres lorsque la température est augmentée, une sélection d'électrodes qui concentrent le flux d'électrons résultant (souvent appelé "cylindre de Wehnelt"), et une anode hautement positive pour accélérer les électrons libres à de plus grandes vitesses.
Une "tension de chauffage" positive est appliquée à la cathode chaude, tandis qu'une "tension d'accélération" positive beaucoup plus importante est appliquée à l'anode. Comme l'anode a une tension positive beaucoup plus élevée que la cathode chaude, les électrons libres négatifs accélèrent vers elle à une vitesse de plus en plus grande. C'est la différence de tension (ou différence de potentiel) entre la cathode et l'anode qui détermine l'accélération des électrons libres dans le faisceau.
Il est intéressant de noter que ces appareils ont résidé pendant longtemps dans presque tous les foyers. Le canon à électrons a joué un rôle essentiel dans l'invention de la télévision. Avant l'invention du téléviseur à écran plat, l'image sur les écrans de télévision était créée à l'aide de faisceaux provenant de trois canons à électrons. C'est pourquoi les téléviseurs "anciens" étaient beaucoup plus profonds ; ils avaient besoin de suffisamment d'espace pour accélérer les électrons libres jusqu'à l'écran !
Vitesse des électrons dans l'émission thermionique d'électrons
Alors, à quelle vitesse exactement les électrons émis par une surface métallique se déplacent-ils ? Eh bien, c'est facile ! L'équation de l'énergie cinétique peut être utilisée pour calculer la vitesse de l'électron émis, à condition que nous connaissions l'énergie cinétique de l'électron lorsqu'il est émis.
\[E_k = \frac{1}{2} mv^2\]
où : Ek = l'énergie cinétique de l'électron, (J)m = la masse de l'électron (kg)v = la vitesse de l'électron (ms-1).
Un filament métallique est chauffé jusqu'à ce que sa température soit suffisamment élevée pour que l'émission d'électrons thermioniques se produise. L'énergie cinétique d'un électron lorsqu'il est émis est de 4,9⋅10-19 J. Calcule la vitesse minimale d'un électron libre émis par le filament métallique, sachant que la masse d'un électron est de 9,1⋅10-31 kg.
Nous savons que la formule de l'énergie cinétique est :
\[E_k = \frac{1}{2} mv^2\].
Si nous introduisons les variables données dans l'équation ci-dessus :
\(4,9 \cdot 10^{-19} J = \frac{1}{2} \cdot 9,1 \cdot 10 ^{-31} kg \cdot v^2\).
Nous pouvons alors résoudre la question de v,
\(v = \sqrt{\frac{4.9 \cdot 10^{-19} \cdot 2}{9.1 \cdot 10^{-31}}} \frac{m}{s}\) ; \(v = 1037749.043 \frac{m}{s}\)L'accélération des électrons libres à travers une différence de potentiel
Les électrons sont des particules incroyablement petites avec des masses minuscules. Bien qu'ils se déplacent incroyablement vite, ils ont une énergie cinétique extrêmement faible. C'est pourquoi une nouvelle unité d'énergie a été créée spécialement pour eux : l'électron-volt (eV). Pour comprendre ce qu'est un électron-volt, il est important de comprendre ce qui arrive à un électron libre qui traverse une différence de potentiel entre deux points.
Nous avons déjà vu comment une différence de potentiel était utilisée pour accélérer les électrons libres dans le canon à électrons ; les électrons négatifs accélèrent simplement vers l'électrode plus positive (cathode). L'accélération de ces électrons libres, et donc l'énergie cinétique qu'ils acquièrent, dépend de la différence de potentiel qu'ils traversent. Plus la différence de potentiel est grande, plus l'électron aura gagné d'énergie cinétique.
\[E_k = eV\]
où : Ek = énergie cinétique (J)e = la charge d'un électron (C)V= la différence de potentiel (tension) par laquelle l'électron est accéléré (V).
Ici, e est la charge d'un électron et V est la différence de potentiel par laquelle l'électron a été accéléré. Un électron-volt correspond donc à l'énergie gagnée par un électron libre accéléré par une différence de potentiel de 1 volt, soit :
\[1eV = 1,062 \cdot 10^{-19} J \].En combinant cette équation avec celle de l'énergie cinétique, il est possible de trouver la vitesse acquise par cet électron libre à partir de la différence de potentiel.
\[eV = \frac{1}{2} mv^2\]
Un électron libre est accéléré à travers une différence de potentiel de 10V. Calcule la vitesse totale gagnée par l'électron du fait de la différence de potentiel, sachant que la charge d'un électron est de 1,602⋅10-19 C, et que la masse d'un électron est de 9,1⋅10-31 kg.
Nous savons que la formule reliant les électrons-volts à l'énergie cinétique est :
\[eV = \frac{1}{2} mv^2\].
Donc en substituant les variables données :
\[1.602 \cdot 10^{-19} J \cdot 10 = \frac{1}{2} \cdot 9.1 \cdot 10^{-31} kg \cdot v^2\]Nous pouvons trouver la valeur de v :
\[v = \sqrt{\frac{1.602\cdot 10^{-19} \cdot 10 \cdot 2}{9.1 \cdot 10^{-31}}} \frac{m}{s}\]\[v = 1876400.576 \frac{m}{s}\]Émission thermionique d'électrons - Points essentiels à retenir
- L'émission thermionique d'électrons se produit lorsque la température d'un métal augmente de telle sorte que ses électrons acquièrent suffisamment d'énergie cinétique pour s'échapper de leur atome.
- Les électrons dans les atomes sont confinés à des niveaux d'énergie discrets et peuvent se déplacer entre les niveaux d'énergie s'ils gagnent ou perdent de l'énergie cinétique.
- Les canons à électrons créent des faisceaux d'électrons par émission thermionique d'électrons.
- La vitesse d'un électron émis peut être calculée à partir de son énergie cinétique.
- L'augmentation de la vitesse d'un électron peut être calculée à l'aide de l'équation du volt électronique et de l'énergie cinétique.
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