Travail de sortie

En physique, en mécanique quantique, le travail de sortie est l'énergie minimum, mesurée en électron-volts, nécessaire pour arracher un électron depuis le niveau de Fermi d'un métal jusqu'à un point situé à l'infini en dehors du métal (niveau du vide).

Le travail de sortie est approximativement la moitié de l'énergie d'ionisation d'un atome libre du même métal.

Travail de sortie photoélectrique

L'effet photoélectrique consiste en une libération d'un électron lorsqu'un photon doté d'une énergie supérieure au travail de sortie arrive sur le métal. La différence entre l'énergie du photon incident et le travail de sortie est fournie à l'électron sous forme d'énergie cinétique.

Le travail de sortie photoélectrique est :

$\varphi = h.f_0 \,$

où h est la constante de Planck et f₀ est la fréquence minimum du photon à partir de laquelle l'émission photoélectrique se produit.

Travail de sortie thermoïonique

Le travail de sortie est également un concept important dans la théorie de l'émission thermoïonique. Dans ce cas, l'énergie communiquée à l'électron provient d'un échange thermique au lieu d'une interaction avec un photon.

Prenons l'exemple d'un électron extrait d'un filament chauffé et porté à un potentiel négatif dans un tube à vide. On appelle alors parfois le travail de sortie « travail de sortie thermoïonique ». Le tungstène est un métal très très employé dans la technologie des tubes à vide à cause de son faible travail de sortie de l'ordre de 4,5 eV approximativement.

Le travail de sortie dépend de l'orientation du cristal. Il sera généralement plus faible pour les métaux dont le réseau cristallin est ouvert et plus élevé pour les métaux dans lesquels les atomes sont assemblés de façon compacte. Les valeurs pratiques des travaux de sortie se trouvent généralement dans la gamme 1,5–6 V. Elles peuvent être plus élevées pour les cristaux très denses.

Exemple

Par exemple, le césium possède une énergie d'ionisation de 3,9 eV et un travail de sortie de 1,9 eV.

$W = -E_{tot}(N+1) + \{E_{tot}(N) + V(\infty) \} = - {\partial E_{tot} \over {\partial N} } + V(\infty) = - \mu + V(\infty)$

$E_{tot}(N+1) - E_{tot}(N) = {\partial E_{tot} \over {\partial N} } = \mu$

$\varepsilon_F = \, \mu$

où V est le niveau énergétique du vide et F le niveau de Fermi.

Applications

En électronique le travail de sortie est une grandeur importante pour la conception des jonctions métal-semi-conducteur des diodes Schottky et dans la conception des tubes électroniques.

Voir aussi

• Affinité électronique ;
• Énergie d'ionisation.

Liens externes

• (fr) Physique du solide : les bandes d'énergie ;
• (en) Travail de sortie des métaux courants ;
• (en) Travail de sortie de matériaux utilisés pour l'effet photoélectrique ;