Η θερμιονική εκπομπή, γνωστή και ως εκπομπή θερμικών ηλεκτρονίων, είναι η διαδικασία με την οποία φορείς φορτίου, όπως ηλεκτρόνια ή ιόντα, κινούνται πάνω από μια επιφάνεια ή κάποιο είδος ενεργειακού φραγμού μέσω της επαγωγής θερμότητας. Οι φορείς φόρτισης περιορίζουν φυσικά τη δραστηριότητα. Ωστόσο, στη θερμιονική εκπομπή, η θερμική ενέργεια εισάγεται στους φορείς, αναγκάζοντάς τους να ξεπεράσουν αυτές τις δυνάμεις. Ο λόγος πίσω από την ικανότητα των φορέων φορτίου να εκτελούν αυτή τη δράση είναι επειδή τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα είναι κινητά και δεν συνδέονται με τις κανονικές αλυσίδες της ατομικής δομής που επηρεάζουν άλλα σωματίδια. Παραδοσιακά, αυτοί οι φορείς φόρτισης αναφέρονται ως «θερμιόνια».
Μια ιδιότητα της θεωρίας της θερμιονικής εκπομπής είναι ότι η περιοχή εκπομπής διατηρείται με φορτίο αντίθετο από το αρχικό αλλά ίσο σε μέγεθος. Αυτό σημαίνει ότι η θέση του φορέα φορτίου πριν από την εκπομπή θα δημιουργήσει θετικό φορτίο στην περίπτωση των ηλεκτρονίων. Ωστόσο, αυτό μπορεί να αλλάξει χρησιμοποιώντας μια μπαταρία. Η εκπομπή εξουδετερώνεται όταν οι φορείς είναι πιο μακριά από την περιοχή, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει αλλαγή στην αρχική κατάσταση.
Ιστορικά, το πρωταρχικό παράδειγμα θερμιονικής εκπομπής είναι αυτό που χρησιμοποιείται στο φαινόμενο Έντισον. Τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από μια θερμή μεταλλική κάθοδο, η οποία χρησιμοποιεί μια πολωμένη ηλεκτρική συσκευή για να προκαλέσει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν σωλήνα κενού. Αυτό επιτρέπει σε μια συσκευή να διατηρεί τον έλεγχο της κίνησης των ηλεκτρονίων και να ενισχύει ή να τροποποιεί το ηλεκτρικό σήμα.
Οτιδήποτε χρησιμοποιείται είτε για ψύξη είτε για παραγωγή ενέργειας χρησιμοποιεί την έννοια της θεωρίας θερμιονικών εκπομπών. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το μέγεθος της ροής αυξάνεται. Εκτός από την παραδοσιακή χρήση σωλήνων κενού για ηλεκτρονικά, συσκευές στερεάς κατάστασης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία της θερμιονικής κίνησης των ηλεκτρονίων, επιτρέποντας τη λειτουργία της σύγχρονης τεχνολογίας.
Η Θερμιονική αναφέρθηκε για πρώτη φορά από τον Frederick Guthrie το 1863. Μπόρεσε να εντοπίσει μια μεταβολή στο θετικό φορτίο μιας σφαίρας σιδήρου με υψηλή θερμοκρασία που δεν συνέβαινε εάν το αντικείμενο ήταν αρνητικά φορτισμένο. Ωστόσο, μόλις το 1880 η επιστήμη αξιοποιήθηκε εύκολα από τον Thomas Edison. Όταν δούλευε με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως του, παρατήρησε ότι ορισμένες περιοχές παρέμεναν σκοτεινές. Αυτό του επέτρεψε να αναγνωρίσει τη ροή των ηλεκτρονίων λόγω θερμότητας, με αποτέλεσμα τη δημιουργία της διόδου.
Ο νόμος του Richardson περιγράφει τον λόγο που τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν με αυτόν τον τρόπο. Συγκεκριμένα, τα μέταλλα περιέχουν δύο ηλεκτρόνια στην ατομική δομή που μπορούν να κινούνται από άτομο σε άτομο. Το 1928, ο Sir Owen Willans Richardson, ένας Βρετανός φυσικός, διαπίστωσε ότι ορισμένα ηλεκτρόνια μπορούσαν να φύγουν από το άτομο χωρίς να επιστρέψουν. Αυτή η διαδικασία απαιτεί ένα ορισμένο ποσό ενέργειας ανάλογα με το μέταλλο. Ο όρος για αυτό το αποτέλεσμα είναι συνάρτηση εργασίας.