《金属电子逸出功的测定》实验指导与报告要求

一、电子发射

1、  电子发射的分类：

⑴、光电发射：靠光照射金属表面引起电子发射。

⑵、热电子发射：加热金属使其中大量电子克服表面势垒而逸出。

⑶、二次电子发射：靠电子流或离子流轰击金属表面产生电子发射

⑷、场效应发射：靠外加强电场引起电子发射

2、热电子发射

⑴、无线电电子学的基础

⑵、真空管中从通电加热的金属丝阴极表面逸出电子的现象

二、实验目的和要求

1、了解热电子发射规律。

2、掌握逸出功的测量方法。

2、  学习一种数据处理方法。

三、金属电子逸出功的测定原理简述

1、真空二极管的结构

a)         阴极K 通以电流 I_f 加热

b)         阳极A上加以正电压，在连接这两个电极的外电路中将有电流 I_a 通过

2、金属电子逸出功

⑴金属中电子能量分布

根据固体物理学中金属电子理论，金属中传导电子的能量分布按费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布，即：

式中W_F称费米能级。

c)         金属-真空界面表面势垒曲线 (x为电子距离金属表面的距离)

d)         逸出功定义：

⑵、根据费米-狄拉克能量分布公式，可以推导出热电子发射公式，称里查逊-杜什曼(Richardson-Dushman)公式。

式中：I-热电子发射的电流强度(A)

S-阴极金属的有效发射面积(cm²)

k-玻尔兹曼常数

T-绝对温度

eV-金属的逸出功

A-与阴极化学纯度有关的系数

3、肖脱基效应

式中的I是不存在外电场时的阴极热发射电流。无外场时，电子不断地从阴极发射出来，在飞向阳极的途中，必然形成空间电荷，空间电荷在阴极附近形成的电场，正好阻止热电子的发射，这就严重地影响发射电流的测量。为了消除空间电荷的影响，在阳极加一正电压，于是阳极和阴极之间形成一加速电场E_a，使电子加速飞向阳极。然而由于E_a的存在，使阴极发射电子得到助力，发射电流较无电场时大。这一现象称肖特基(Schottky)效应。

根据二极管理论，考虑到阴极和阳极共轴，且是园柱形，并忽略接触电势差和其它影响，可推得

式中I_a和I₀分别是加速电场为E_a和零时的阴极发射电流；r₁和r₂分别为阴极和阳极的半径；U_a为阳极电压。

                        

4、外延法求零场发射电流

 5、查理逊直线法求逸出电势

【实验内容】

1、按图接好线路，经检查无误后，接通电源予热10分钟。（阳极+连1接线柱。阳极-连6接线柱，灯丝电压+连3接线柱，--连5接线柱，安培表正极连4接线柱，负极连5接线柱，微安表正极连1接线柱，负极连2接线柱）

2、取不同的灯丝电流I_f (即对应于不同的温度T)，从0.50A开始，每隔0.05A测一次。对每一电流I_f，测阳极电压为20，30，40，……，120伏时的电流I_a。

注意，I_f不能超过0.80A，以延长二极管寿命。每改变一次电流值，要恒温5发钟，使阴极达到热平衡。

3、用单对数坐标纸作lgI_a－直线，求出截距1g I₀，即求出不同电流I_f下的I₀，查出对应的温度T。

4、作－直线。求直线的斜率Δ()/Δ()。计算钨的逸出功eφ。

5、与公认值时e=4.54eV比较，作误差分析。

【实验原始数据】

【数据处理】

1、lgI_a－曲线

根据原始数据计算出不同I_f下，lgI_a与的值，如表1所示。

表1   不同I_f下lgI_a与的值

    由表1中的数据可做不同I_f下lgI_a－曲线，如图1所示(仅供参考)。

图1  lgI_a－曲线

由上图可读出不同I_f下lgI_a－曲线的截距lgI₀，如表2所示。

表2   不同I_f对应的lgI₀

2、－曲线         知不同I_f对应不同温度，如表3所示。

表3  标准二极管的加热电流与温度的关系

由表2和表3中数据可得和对应数据，如表4所示。

表4 不同I_f下与的关系

由上表可作出－曲线，如图2所示(仅供参考)。

图2 －曲线

由上图可知斜率Δ()/Δ()=-22913.56，根据里查逊直线法可知逸出功eφ=Δ()/Δ()/-5040= .------eV。

百分误差为E=

【思考与讨论】

1，  本实验中需要测量哪些物理量？为什么？

测量U_f、U_a以及I_f，由于公式显示的A，S等不容易测量，需要间接测量电压值来转换成逸出功数据。

2，  试验中如何稳定阴极温度？

每次调整了电压U_a，等待1~2分钟让电流稳定，温度才达到稳定值。

 

第二篇：电子逸出功实验报告

【数据处理】

由图可知：0.60V时logI₀=-4.474; 0.62V时logI₀=-4.262; 0.64V时logI₀=-4.055; 0.66V时logI₀=- 3.855;

0.68V时logI₀=- 3.660; 0.70V时logI₀=-- 3.479; 0.72V时logI₀=- 3.307;

根据表中数据作图如上：直线斜率：m=-21987

逸出电势：Φ==4.36  eV

逸出功：eV=4.36  eV

与逸出功公认值4.54eV比较，误差Er=3.96% 

斜率：K=155.6；

阳极内半径a=3.9*10^-3;线圈长度：l=1.47*10^-2;;线圈数：N=990匝；线圈内半径：r₁=0.021m;线圈外半径：r₂=0.028m;真空磁导率：4μ

荷质比e/m=1.7588*10¹¹（c/Kg）

K’=0.0197;K=*K’;

K=155.6;

所以e/m=2.108*10¹¹；

【思考与讨论】

3．答：理查逊的直线法在于将原先很复杂的公式简单化，而且变成线性化。便于观察和测量。

4．答：在测量样机电流的过程中，必须保持灯丝电流不变（0.72mA），参考点不能变，因为如果变化了，逸出功也随之改变。

【实验总结】

临界点Q的选择应用统一原则，即或取（1/4）I_a0或者取1/5等，且尽可能取最接近的值，否则对应 的Ic值读取会有很大的误差，直接影响测量结果。在测量样机电流的过程中，必须保持灯丝电流不变（0.72mA），参考点不能变