逸出功实验报告.docxVIP

逸出功的测量电22李自帅 2012010916摘要:本文对逸出功测量实验进行了原理分析，实验数据的处理。详细介绍了实验的原理以及数据处理方式。关键词：逸出功测量数据处理一、实验目的1.用里查孙直线法测定阴极材料（钨）的电子逸出功。2.通过实验了解热电子发射的规律和掌握逸出功的测量方法。二、实验原理根据量子论，原子内电子的能级是量子化的。在金属内部运动着的自由电子遵循类似的规律：①金属中自由电子的能量是量子化的；②电子具有全同性；③能级的填充状态要符合泡利不相容原理。在热力学零度及高温时，电子数按能量分布的曲线图1中的曲线①所示。当温度升高时，电子数按能量分布的曲线图1中的曲线②所示，少数电子能量上升到比之前的最大动能Wi还要高，并且电子数以接近于指数的规律减少。由于金属与真空之间有位能壁垒Wa，如图2所示，因此电子要从金属中逸出，必须具有大于Wa的动能。W0=Wa-Wi即为逸出功。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，使动能大于Wi的电子增多，从而使动能大于Wa的电子数达到一可观测的大小，这时动能大于Wa的电子就有可能从金属发射出来。可见，逸出功的大小对热电子发射的强弱有决定性的作用。根据以上理论，可以推导出关于热电子发射的里查孙－德西曼公式：式中Je为单位面积的发射电流，Wa-Wi为该金属的逸出功，A1为普适常数。若令2(1-Re)A1=A，可得发射电流Ie的公式：此式即为本实验的理论依据。原则上看，似乎只要能测定式中有关的量Ie，A，S及T，就可以求出逸出功的数值，实则不然。三、测量及数据处理1. A与S两个量的处理A这个量直接与金属表面对发射电子的反射系数有关，反射系数又与金属表面的化学春都有关系；另外由于金属表面是粗糙的，计算出的阴极发射面积与实际的有效面积S也可能有差异，所以这两个量难以测量，甚至无法测定。故将上式除以再取以10为底的常用对数，并以国际单位制并将和k的数值代入，可得由此可以看出，lg(Ie/)和1/T成线性关系，若以lg(Ie/)和1/T分别作为纵坐标和横坐标，作图后由直线的斜率即可定出。由于A与S对某一固定材料的阴极来说是常数，故lg(AS)一项只改变lg(Ie/)-1/T直线的截距，而不影响直线的斜率，这就避免了由于A和S不能准确测定以致影响确定ф的困难，此方法叫里查孙直线法。2. 发射电流Ie的测量当电子不断从阴极发射出来飞往阳极的途中，所形成的空间电荷电场必将阻碍后续电子飞往阳极。为此，需维持阳极电位高于阴极，即在阳极于阴极之间外加一个加速场，使电子一旦逸出，就能迅速飞往阳极。下图为测量Ie的示意图。但由于外加电场Ea的存在，就不能不影响热电子的发射，即出现肖特基效应。所谓肖特基效应，是指在热电子发射过程中受到阳极加速电场的影响，使电子从阴极发射出来时将得到一个助力，因而增加了电子发射的数量。增加后的值自然不是真正的Ie值，而必须作相应的处理。通常，在加速场Ea的作用下，阴极发射电流I’e与Ea有如下的关系：取以10为底的对数，并把阳极作成圆柱形，与阴极共轴，则有：式中r1r2分别为阴极和阳极的半径，Ua为阳极典雅，Ua’为接触电位差及其他原因引起的电位差，一般情况下Ua〉〉Ua，故上式可写为：由上式得，在阴极温度一定的情况下，与呈线性关系（值较大时）。可画出在不同阴极温度下的与的关系曲线，并将其外推至处，=0时的即为lgIe，由此可定出所需要的Ie值。至此，解决了Ie的测量问题。3. 温度T的测量本实验是通过测量阴极加热电流来确定阴极温度。对于纯钨丝，一定的比加热电流I1与阴极温度的关系已有前人准确测算出，并列成表。，其中为阴极加热电流，dK为阴极钨丝直径。为了方便可以绘出T-If的关系曲线，由阴极电流If的大小，从曲线上可直接查出与其对应的温度T。四、仪器装置1.本实验所用的电子管装置如下图所示。为了使阳极和灯丝间的电场均匀，在阳极两端加上两个电极（保护环），它们和阳极半径相同且共轴。实验时使保护环电位与阳极相近。保护环也保证了使用的灯丝中段的温度是均匀的，使得测量得到的阳极电流更加稳定可靠。2.实验所用仪器及规格灯丝电源 Ef 约为0V～5V；电流表 A 量程1A，测灯丝电流；数字电压表 mV 0mV～200mV，四位半读数；实验板[甲]：其上安装有标准二极管，灯丝KH两端已经并联上由两个相同电阻R（R＝18Ω）串联成的电阻，两个电阻的连接点用C表示；实验板[乙]：其上安装有单刀双掷开关、300Ω、2.7kΩ、1kΩ、1MΩ电阻各一个。3.将实验板连接好后的实验电路如下图：五、实验步骤1.根据实验原理和设备，设计电路图如上图。2.根据教师审查过的设计线路图接线。3.在一定灯丝温度下，测定加速电压Ua