东南大学金属逸出功与电子荷质比.docxVIP

金属电子逸出电势和荷质比的测量 实验一 金属电子逸出电势的测量 【实验要求和目的】 了解金属电子逸出功的基本理论 学习用里查孙直线法测定钨的逸出功 学习用计算机接口辅助进行实验数据采集和处理【实验原理】 在理想二极管的阳极上加以正电压时，连接这两个电极的外电路中将有电流通过，这种 现象，称为热电子发射。 金属中的传导电子能量的分布是按费密—狄喇克能量分布的。即 dN 4 p 3 1 E - EF 2 2 - 1 f ( E) N ( E) = 3 ( 2 m) E [exp( ) + 1] （1） = dE h kT 在绝对零度时电子的能量分布如右图中曲线(1)所示。这 时电子所具有的最大能量为 EF （费密能级）。当温度 T＞0时，电子的能量分布曲线如图中曲线(2)、(3)所示。 通常温度下金属表面与外界(真空)之间存在一个势垒 Eb ，电子要从金属中逸出，至少具有能量 Eb 。在绝对零度时电子逸出金属至少要从外界得到的能量为 E0 = Eb - EF= ef （2） E0 (或 eφ)称为金属电子的逸出功，它表征要使金属中比费米能极 EF 具有最大能量的电子逸出金属表面所需要给予的能量。φ称为逸出电势。 提高阴极温度使其中一部分电子的能量大于势垒 Eb 。这样，能量大于势垒 Eb 的电子就可以从金属中发射出来。因此，逸出功 eφ的大小，决定了电子发射的强弱。 根据费密—狄喇克能量分布公式(1)，可以导出热电子发射的里查孙—热西曼公式 I = AST 2 e ) (3) e xp- ( f kT 式中 I—热电子发射的电流强度(A)。 A —和阴极表面化学纯度有关的系数(A? m-2? K-2)。 S —阴极的有效发射面积(m2). T —发射热电子的阴极的绝对温度(K)。 K —玻尔兹曼常数，k=1.38?10-23J? K-1 由于 A 和 S 两个量难以直接测定，所以在实际测量中用下述的里查孙直线法。 T 将式(3)两边除以 2 ，再取常用对数得 lg I = e f 3 1 2 lg AS - = lg AS - 5 04 ′ 10 f (4) T 2 30 kT T 从(4)式可见， lg I 与 1 成线性关系。如以 lg I 为纵坐标，以 1 为横坐标作图，从 T 2 T T 2 T 示范报告 所得直线的斜率，即可求出电子的逸出电势φ，从而求出电子的逸出功 eφ。 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 E 。然而由于 E 的存在会使阴极表面的势垒 E 降低，因而逸出功减小，发射电流增 a a b 大，这一现象称为肖脱基效应。在阴极表面加速电场 E a 的作用下，阴极发射电流 I 与 E 有 a a 如下的关系 0 439 E a I a = I exp ( T ) (5) 式 中 a 和 I 分别是加速电场为 E 和加速电场为零时的发射电流。对(5)式取对数得 I a lg I a = lg I 0 439 (6) 2 30 T E a + 如果把阴极和阳极做成共轴圆柱形，并忽略接触电势差和其它影响，则加速电场 E a = U a (7) r rr 2 ln 1 式中 r 和 r分别为阴极和阳极的半径， U 为阳极电压， 1 2 a 将(7)式代入(6)式 lg I a = lg I 0 439 U a (8) + 2 30 T r 2 r 1 ln r 1 由右图所示 。直线的延长线与纵坐标的交点即为 lg I 。由此即可求出在一定温度下加速电场为零时的发 射电流 I 。 实验电路如左图所示。 【实验仪器】 WF-4 型金属电子逸出功测定仪、理想二极 管。 【实验步骤】 1.连接好阳极和灯丝的电压、电流表，测量 灯 丝电流和阳极电流及阳极电压。接通电源，预热 10 分钟。 2. 将 理 想 二 极 管 灯 丝 电 流 If 从 0.55 ～ 0.75A，每间隔 0.05A 进行一次测量。对应每一灯丝电流，在阳极上加 16，25，36，49，? 121 V 诸电压，各测出一组阳极电流 I a ，并计算对数值 lg I 。 a ３.作出 lg I a ～U a 图线。再根据 lg I a～ U a直线的延长线与纵坐标上的截距，从图 上直接读出不同阴极温度时的零场热电子发射电流 I 的对数值lg I 。 ４．计算不同温度T 时的 lg I2 和 1 值，并据此作出 lg I ～ 1 图线。根据直线斜率 T T T 2 T 示范报告 求出钨的逸出电势φ。 【实验数据】 灯 丝 电 流 If/A 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.77 灯 丝 温 度 1.80 1.88 1.96 2.04 2.12 T/103K 阳 极 电 压 阳极