实验22热电子发射的研究研究热电子发射的实验项目较多，本实验.DOCVIP

实验22 热电子发射的研究 研究热电子发射的实验项目较多，本实验选取了三个比较适合于做普通物理实验，且比较有意义的项目，如下 Ⅰ 金属电子逸出功的测定 Ⅱ 用磁控法测定电子比荷 Ⅲ 测量热电子发射的速率分布规律 因实验项目已较多，本实验不再安排拓展实验。 Ⅰ 金属电子逸出功的测定 金属电子逸出功（或逸出电位）的测定实验，综合性地应用了直线测量法、外延测量法和补偿测量法等多种实验方法。在数据处理方面，有比较独特的技巧性训练。因此，这是一个比较有意义的实验。在国内外，已为许多高等学校所采用。 实验目的 1. 用里查孙直线法测定金属（钨）电子的逸出功。 2. 学习直线测量法、外延测量法和补偿测量法等多种基本实验方法。 3. 学习一种新的数据处理的方法。 实验原理 若真空二极管的阴极（用被测金属钨丝做成）通以电流加热， 并在阳极上加以正电压时，在连接这两个电极的外电路中将有电 流通过，如图22－1所示。这种电子从热金属发射的现象，称热 电子发射。从工程学上说，研究热电子发射的目的用以选择合适的阴极材料，这可以在相同加热温度下测量不同阴极材料的二级管的饱和电流，然后相互比较，加以选择。但从学习物理学来说， 通过对阴极材料物理性质的研究来掌握其热电子发射的性能，这 是带有根本性的工作，因而更为重要。 ⒈ 热电子发射公式 1911年里查孙提出了之后又经受住了20年代量子力学考验的热电子发射公式（里查孙定律）为 （1） 式中 称为金属电子的逸出功（或称功函数），其常用单位为电子伏特（eV），它表征电子从金属表面逸出, 需要克服阴极表面的势垒所要作的功。称逸出电位，其数值等于以电子伏特为单位的电子逸出功。 热电子发射是用提高阴极温度的办法以改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量，可以克服阴极表面的势垒，作逸出功从金属中发射出来。因此，逸出功的大小，对热电子发射的强弱，具有决定性作用。 （1）式中—热电子发射的电流强度，单位为安培 —和阴极表面化学纯度有关的系数，单位为安培·米－2·开－2 —阴极的有效发射面积，单位为米2 —发射热电子的阴极的绝对温度，单位为开 K—玻尔兹曼常数，K =1.38×10－23焦耳·开－1 原则上我们只要测定、、和等各量，就可以根据（1）式计算出阴极材料的逸出功。但困难在于和这两个量是难以直接测定的，所以在实际测量中常用下述的里查孙直线法，以设法避开和的测量。 ⒉ 里查孙直线法 具体的做法是将（1）式两边除以，再取对数得 （2） 从（2）式可见，与成线性关系。如以为纵坐标，以为横坐标作图，从所得直线的斜率，即可求出电子的逸出电位，从而求出电子的逸出功。该方法叫里查孙直线法。其特点是可以不必求出和的具体数值，直接从和就可以得出的值，和的影响只是使~直线产生平移。这是多么巧妙的一种处理方法！ ⒊ 从加速电场外延求零场电流 为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阳极，必须在阴极和阳极间外加一个加速电场。然而由于的存在会使阴极表面的势垒降低，因而逸出功减小，发射电流增大，这一现象称为肖脱基效应。可以证明[1]，在阴极表面加速电场的作用下，阴极发射电流与有如下的关系。 （3） 式中和分别是加速电场为和零时的发射电流。对（3）式取对数得 （4） 如果把阴极和阳极做成共轴圆柱形，并忽略接触电位差和其它影响，则加速电场可表示为 （5） 式中分别为阴极和阳极的半径，为阳极电压，将（5）式代入（4）式得 （6） 由（6）式可见， 对于一定几何尺寸的管子，当阴 极的温度一定时，和成线性关系。如 果以为纵坐标，以为横坐标作图，如图 22－2所示。这些直线的延长线与纵坐标的交点为 。由此即可求出在一定温度下加速电场为零时 的发射电流――零场电流。 综上所述，要测定金属材料的逸出功，首先应 该把被测材料做成二极管的阴极。当测定了阴极温 度，阳极电压和发射电流后，通过上述的 数据处理，得到零场电