Techniklexikon

Elektronenemission

FestkörperphysikAtom- und Molekülphysik, die Auslösung von Elektronen aus der Elektronenhülle eines Atoms. Die Emission kann durch Absorption elektromagnetischer Strahlung und durch Stösse mit geladenen Teilchen (Stossionisation) erfolgen.

1) Die Auslösung von Elektronen aus Atomen durch elektromagnetische Strahlung wird Photoeffekt bzw. Photoionisation genannt. Für die Ionisation mit einem einzigen absorbierten Photon gilt die Einstein-Gleichung. Dabei muss die Wellenlänge des Photons je nach Ionisationsenergie im ultravioletten Spektralbereich oder im Röntgenbereich liegen. Bei der Ionisation mit intensiven gepulsten Lasern ist auch die gleichzeitige Absorption mehrerer Photonen möglich (Multi-Photonen-Ionisation). Dies ist auch bei Wellenlängen im nahen Infrarot oder im sichtbaren Spektralbereich möglich. Im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich werden nur Valenzelektronen ausgelöst. Im Bereich der Röntgenstrahlung findet auch Ionisation innerer Schalen statt (z.B. Auger-Effekt).

Bei sehr harter Röntgen- oder g-Strahlung (Photonenenergie grösser etwa 10⁵ eV) geht der Photoeffekt in den Compton-Effekt über, der auch an freien Elektronen auftritt: Es wird nur ein Teil der Energie des auftreffenden Photons in kinetische Energie des Elektrons verwandelt. Der Rest tritt in Form eines gestreuten Lichtquants mit verschobener Energie auf.

Ein Lichtquant, dessen Energie mehr als dem Doppelten der Masse des Elektrons (511 keV) entspricht, kann Paarbildung, d.h. die Bildung eines Elektron-Positron-Paares, hervorrufen. Die überschüssige Energie tritt als kinetische Energie des Paares auf. Aus Impulserhaltungsgründen kann sich ein solcher Prozess nur im Feld eines Atomkerns abspielen, der den Impuls aufnimmt.

2) Elektronenemission aus Atomen, Molekülen oder Ionen kann auch durch Stossprozesse mit anderen geladenen oder neutralen Teilchen verursacht werden. Die kinetische Energie der Stosspartner muss mindestens so gross sein wie die Ionisierungsenergie des zu ionisierenden Teilchens. Die Teilchen können Ihre kinetische Energie durch ein statisches elektrisches Feld oder aus einem Beschleuniger erhalten. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von a- oder b-Strahlen aus radioaktiven Zerfällen. In einem Gas bei genügend hoher Temperatur führen Stösse zwischen Atomen und Molekülen untereinander zur Ionisierung und Anregung, wodurch ein Gemisch aus neutralen und geladenen Teilchen entsteht.

3) Austritt von Leitungselektronen aus Metallen: Die Austrittsarbeit kann durch thermische Energie (Glühemission), hochenergetische Strahlung (Photoemission) oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes (Feldemission) aufgebracht werden. Die Wechselwirkungen eines Elektrons mit den übrigen Elektronen und den Ionen heben sich im Kristallinnern auf, wirken jedoch an der Oberfläche als rücktreibende Kraft. Die Reichweite z₀ dieser Oberflächenkraft beträgt ausserhalb des Festkörpers wegen der elektrischen Neutralität nur einige Atomlagen. Durch eine Ladung -e im Abstand z von der Oberfläche wird eine Bildladung +e bei -z erzeugt. Der Potentialverlauf der Bildkraft ist:

,

wobei die Elektronenaffinität A die Differenz der potentiellen Energie P im Probeninnern (P = 0 für pseudofreie Elektronen) und in einem unendlichen Abstand (P = P_¥) von der Oberfläche bezeichnet. Die Austrittsarbeit W ist die Energie W(z  ¥) = W_¥ des ruhenden Elektrons in einem unendlichen Abstand bezogen auf die Energie m an der Fermi-Grenze: W = W_¥ - m.
[SW, TV]

Elektronenemission: Austrittsarbeit W für Elektronen-Emission sowie der Potentialverlauf P(z) über dem Abstand von einer Metalloberfläche. Das Bildkraftpotential P_B(z) überlagert sich mit der Oberflächenkraft, deren Reichweite z₀ beträgt.