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Austrittsarbeit
Bedeutend ist die Austrittsarbeit bei Prozessen, die Elektronen gezielt durch Energieeinbringung aus einer Kathode „herausschlagen“. Sie steckt als wesentlicher …
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Begriff und Bedeutung
Die Austrittsarbeit, auch Auslösearbeit oder Ablösearbeit genannt, ist die mindestens erforderliche Arbeit beziehungsweise Energie, um ein Elektron aus einem ungeladenen Festkörper zu lösen. Sie wird meist in Elektronenvolt (eV) angegeben. Physikalisch beschreibt sie die generell minimale Energie, die nötig ist, um ein Elektron aus dem Fermi-Niveau eines Festkörpers herauszulösen.
Die Austrittsarbeit ist ein wesentlicher Parameter in den Leistungsgleichungen technischer und wissenschaftlicher Anwendungen, bei denen Elektronen gezielt aus einer Kathode „herausgeschlagen“ werden. Sie ist deshalb eine zentrale Einflussgröße der Elektronenstrahltechnik. Theoretisch kann sie mit dem Elektronengasmodell beschrieben werden. Ihre Größe hängt über das chemische Potential von der Art des Festkörpers ab und wird zusätzlich durch die Art der Anregung beeinflusst.
Arten der Elektronenanregung
Elektronen können durch verschiedene Formen der Energiezufuhr aus einer Kathode gelöst werden:
- Glühemission beruht auf thermischer Anregung.
- Gasentladung beruht auf elektrochemischer Anregung.
- Feldemission ist eine elektrische Anregung durch Auffüllen der Fermi-Energie und wird auch „Kalte Emission“ genannt.
- Fotoemission beruht auf Lichtanregung und steht mit dem photoelektrischen Effekt in Zusammenhang.
- Daneben gibt es kombinierte Anlagen.
Die Austrittsarbeit ist bei Alkalimetallen vergleichsweise klein. Für Rubidium beträgt sie 2,13 eV, für Cäsium 2,14 eV, für Kalium 2,25 eV und für Natrium 2,28 eV. Bei Aluminium mit 4,20 eV, Zink mit 4,34 eV und Platin mit 5,66 eV ist sie wesentlich höher. UV-armes Tageslicht oder UV-loses Glühlicht enthält Photonen mit einer Maximalenergie von 3 eV. Damit können aus Cäsium Elektronen gelöst werden; bei Zink ist dagegen energiereicheres Ultraviolett erforderlich.
Materialwerte und Abgrenzung
Die Austrittsarbeit verschiedener Materialien wird in eV angegeben. Die im Artikel genannten Werte sind:
- BaO + SrO: 1,0; Cs: 1,7 … 2,14; Ba: 1,8 … 2,52; Rb: 2,13; Li: 2,2; K: 2,25; Na: 2,28.
- LaB₆: 2,4 … 2,7; Ca: 3,2; Mg: 3,7; Al: 4,0 … 4,20; Cd: 4,04; Ag: 4,05 … 4,6; Mo: 4,16 … 4,2; Ta: 4,19.
- Cu: 4,3 … 4,5; Ti: 4,33; Zn: 4,34; Sn: 4,39; W: 4,54 … 4,6; Fe: 4,63; Au: 4,8 … 5,4; Ni: 5,0; Pt: 5,32 … 5,66.
Die Austrittsarbeit ist von der Elektronen-Bindungsenergie zu unterscheiden. Diese ist mit der Ionisationsenergie eines Atoms oder Moleküls vergleichbar. Elektronen verschiedener Elektronenschalen besitzen unterschiedliche Bindungsenergien. Für ein Elektron aus einer tieferen, energetisch niedrigeren Schale muss mehr Energie aufgebracht werden. Die Ionisationsenergie bezeichnet dabei nur die minimale Energie, um ein bestimmtes Elektron aus seiner Bindung zu lösen. Die Austrittsarbeit bezieht sich dagegen auf die generell minimale Energie zum Austritt eines Elektrons aus dem Fermi-Niveau.
Messung und technische Anwendung
Bei der Fotoemission besitzen die ausgelösten Elektronen eine bestimmte kinetische Energie. Sie ergibt sich aus der eingebrachten Lichtenergie abzüglich der Austrittsarbeit:
W₍kin₎ = W₍Licht₎ − W₍A₎.
Zur Messung wird meist die kinetische Energie der freigesetzten Elektronen mit einem Elektronenspektrometer bestimmt. Ist die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts durch Filter oder Lasereigenschaften bekannt, kann die Austrittsarbeit aus der Differenz berechnet werden:
W₍A₎ = E₍Photon₎ − E₍Elektron, max₎.
Eine weitere einfache Messmethode ist die Gegenfeldmethode. Unterschiedliche Austrittsarbeiten zweier Metalle erzeugen ein Kontaktpotential. Dieses kann zur Bestimmung relativer Austrittsarbeiten verwendet werden, insbesondere mit einer Kelvin-Sonde, auch Kelvin-Schwinger genannt.
In einer Elektronenröhre dienen erhitzte Metalle als Elektronenquelle. Zunächst wurde Wolfram mit einer Austrittsarbeit von 4,5 eV eingesetzt. Danach verwendete man Wolfram mit einer ein Atom starken Thoriumschicht und 2,6 eV. Eine dünne Bariumschicht auf Wolfram führte zu 1,7 eV. Die Oxidkathode aus Wolfram, Bariumoxid und einer äußeren Bariumschicht erreichte 1,1 eV bis 1,0 eV. Durch die verringerte Austrittsarbeit konnte die erforderliche Kathodentemperatur von 2400 °C bei Wolfram auf 700 °C bei der Oxidkathode gesenkt werden.