Emissione dovuta al campo elettrico

Nella figura 1 è rappresentato un tubo a vuoto spinto nel quale sono inseriti due elettrodi collegati ad un generatore di tensione che carica un elettrodo positivamente (Anodo) e l'altro negativamente (Catodo).

Gli elettroni liberi che si trovano nella superficie dell'elettrodo negativo sono soggetti ad una forza F espressa in Newton ; tale forza è pari al campo elettrico E moltiplicato per la carica ε, cioè F=E.ε; il campo elettrico è pure uguale a V/d e pertanto se V è pari all'affinità elettronica V ₀ del metallo di cui è costituito il catodo possiamo scrivere:

V ₀ .ε = F.d .
V ₀.ε rappresenta il lavoro da compiere per allontanare un elettrone dalla supoerficie metallica.
Possiamo allora affermare che se la differenza di potenziale V fra i due elettrodi è maggiore di V ₀ , il lavoro V ₀ . ε serve per allontanare l'elettrone dal metallo con velocità iniziale pari a zero ed il lavoro (V-V ₀ ) . ε serve per accelerare l'elettrone che arriva all'anodo con velocità u.

Emissione dovuta all'illuminazione

Quando un metallo viene colpito dalla luce o da una radiazione ultraviloetta emette elettroni; l'emissione dipende dall' angolo di incidenza e dall'intensità della radiazione.
Relativamente all'angolo di incidenza si osserva che se la radiazione è radente, l'emissione è massima, se laradiazione è invece normale alla supericie colpita, la radiazione è minima.
In rapporto alla frequenza della radiazione si osservano comportamenti diversi a seconda del metallo; i metalli alcalino terrosi ed i metalli alcalini hanno una emissione selettiva che signifiva che l'emissione è massima per un certo valore della lunghezza d'onda,  discostandosi dalla quale essa diminuisce ( vedi fig.2 -curva S-).
Gli altri metalli hanno una emissione normale, in essi l'emissione aumenta con la diminuzione della lunghezza d'onda λ ( vedi fig.2 -curva N-)
C'è da osservare che esiste una soglia fotoelettrica dipendente dal metallo colpito dalla radiazione, cioè se la lunghezza d'onda supera il valore della soglia λ₀ non si verifica alcuna emissione (vedi fig.2).
Secondo la teoria quantistica l'energia elettromagnetica (le radiazioni luminose o ultraviolette di cui stiamo parlando sono radiazioni elettromagnetiche) è discontinua e formata da piccole quantità dette quanti ( fotoni relativamente alla luce) che possiedono una energia pari a W_q = h . f ; in tale espressione   h è la costante di Planck, pari a 6,55 . 10 ^-24 juoule . sec, ed f è la frequenza.
Se un quanto colpisce una superficie metallica, questa emette elettroni solo se l'energia incidente pari ad h . f è superiore a V ₀ .ε,  l'eccesso si energia fornita si trasforma in energia cinetica e l'elettrone viene emesso con velocita u .
Possiamo pertanto dire che h.f = V ₀.ε + 1/2 m ₀u ² da cui si deduce che se h . f è minore di V₀ .ε non si ha alcuna emissione (m₀ è la massa dell'elettrone pari a 9.10^-28g).
Da qui deriva l'esistenza della soglia fotoelettrica; ricordiamo infatti che f= c/λ ( c è la velocità della luce pari a 300.000.000 mt/sec); se λ aumenta f diminuisce finchè h.f diventa minore di V₀ .ε e quindi cessa ogni emissione.

Emissione dovuta al bombardamento elettronico.


Quando un metallo viene violentemente colpito da un elettrone diventa sede di una emissione detta emissione secondaria.
Per porre in evidenza questa emissione occorre porre nell'ampolla nella quale si è praticato un vuoto spinto un terzo elettrodo (vedi fig.3); il primo elettrodo emette elettroni ed è pertanto la sorgente degli elettroni primari ; il secondo, a potenziale più elevato rispetto al primo, riceve gran parte degli elettroni primari e diventa sede dell'emissione secondaria; ed infine il terzo elettrodo, a potenziale ancora più elevato raccoglie gli elettroni secondari e parte degli elettroni primari .
E' evidente che perchè possa avvenire l'emissione secondaria occorre che l'energia cinetica degli elettroni primari sia superiore a V₀.ε che rappresenta, come abbiamo già visto, il lavoro di estrazione dell'elettrone pari al potenziale intrinseco per la carica dell'elettrone.
Se l'energia cinetica degli elettroni primari è molto più grande del lavoro di estrazione un solo elettrone può causare l'emissione di parecchi elettroni secondari ed a volte di intere molecole portando alla corrosione il metallo colpito; ciò capita per differenze di potenziale dell'ordine dei 10.000, 20.000 Volt.

Emissione dovuta al riscaldamento

Con l'aumento della temperatura aumenta anche l'energia cinetica degli elettroni; affinchè un elettrone possa abbandonare il metallo per effetto della temperatura occorre che l'energia cinetica pari a

1/2 m ₀ u ², con m₀ massa dell'elettrone ed u la componente ortogonale alla superficie del metallo della velocità, sia maggiore del lavoro di estrazione che, come abbiamo già visto, è pari a

 V ₀.ε.
Prendiamo in considerazione il diodo di fig.4; se il catodo viene riscaldato, quando la sua temperatura è tale che l'energia cinetica di cui sopra eguaglia il lavoro di estrazione allora inizia l'emissione di elettroni dal catodo.
Questi elettroni se V di fig.4 è pari a zero si allontanano dalla superficie del catodo di qualche frazione di mm (circa 0,01 mm) e poi ricadono sul catodo medesimo.
Se invece V è maggiore di zero allora alcuni elettroni abbandonano il catodo e vengono attirati dall'anodo.
con l'aumento di V aumenta anche il numero di elettroni che raggiunge il catodo; esiste un valore di V per cui tutti gli elettroni emessi vengono raccolti dall'anodo.
Ricapitolando possiamo dire che il numero massimo di elettroni che vengono emessi da catodo dipende dalla temperatura dello stesso e che il numero di elettroni che raggiungono l'anodo dipende dal valore della differenza di potenziale fra anodo e catodo