实验1-4 逸出功的测定

【实验目的】

1、了解热电子发射规律。

2、掌握逸出功的测量方法。

3、学习一种数据处理方法。

【实验原理】

若真空二极管的阴极(用被测金属钨做成)通以电流加热，并在阳极上加正电压，则在连结两个电极的外电路中就有电流通过，如图1-4-1所示。这种电子从加热金属中发射出来的现象，称热电子发射。研究热电子发射的目的之一，就是要选择合适的阴极材料。逸出功是金属的电子发射的基本物理量。

1、 电子的逸出功

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：

                  (1-4-1)

式中W_F称费米能级。

在绝对零度时，电子的能量分布如图1-4-2中的曲线(1)所示。此时电子所具有的最大动能为W_F。当温度升高时，电子的能量分布如图1-4-2中的曲线(2)所示。其中少数电子具有比W_F高的能量，并以指数规律衰减。

由于金属表面与外界(真空)之间存在势垒W_b，如图1-4-3。电子要从金属逸出，必须至少有能量W_b。从图1-4-3可看出，在绝对零度时，电子逸出金属表面，至少需要得到能量

W₀＝W_b一W_F＝eφ                         （1-4-2）

W₀(eφ)称为金属电子的逸出功，常用单位为电子伏特(eV)。它表征要使处于绝对零度下的具有最大能量的电子逸出金属表面所需给予的能量。为电子电荷，φ称逸出电位。

可见，热电子发射，就是利用提高阴极温度的办法，改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量大于W_b，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的作用。

2、热电子发射公式

    根据费米-狄拉克能量分布公式(1-4-1)，可以推导出热电子发射公式，称里查逊-杜什曼(Richardson-Dushman)公式。

                              (1-4-3)

式中：I₀-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

eφ-金属的逸出功

A-与阴极化学纯度有关的系数

原则上，只要测出I₀，A，S，T，便可由(1-4-3)式计算出逸出功eφ，但困难的是A和S是难以直接测量的，所以，在实际测量中，常用下述的里查逊直线法确定eφ，以设法避开A和S的测量。

    3、里查逊直线法

    将(1-4-3)式两边除以T²，再取对数，得到

              (1-4-4)

从(1-4-4)式可以看出，与成线性关系。如果以为纵坐标轴，为横坐标轴作图，从得到的直线斜率即可求出电子的逸出功eφ值。A和S的影响只是使―直线平移。

4、发射电流I₀的测量

(1-4-3)式中的I₀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，可以证明，在加速电场E_a的作用下，阴极发射的电流为

                           (1-4-5)

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。对(1-4-5)式取对数，则

                       (1-4-6)

    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，则加速电场可表示为

                             (1-4-7)

式中r₁和r₂分别为阴极和阳极的半径；U_a为阳极电压。将(1-4-7)式代入(1-4-6)式，得到

                         (1-4-8)

由(1-4-8)式可见，温度T一定时，1g I_a与成线性关系。如图1-4-4所示。此直线的截距为1gI₀。由此便得到温度为T，电场为零时的发射电流I₀。

5、温度T的测量

由(1-4-3)式可知，阴极发射电流与T有关，指数项中含有T，对发射电流的影响很大。温度测量误差对结果影响很大。测量阴极温度的方法虽然不少，但精度都不高。本实验是以测量加热电流的方法来确定温度。给阴极通以电流I_f，在产生热量的同时，阴极还辐射热量。在发热功率和辐射功率达到平衡时，阴极达到一定的温度。电流I_f与温度T有一定函数关系。有人已对纯钨丝的比加热电流作过精确的测量。比加热电流为，其中为长为1cm，直径为1cm的阴极(称单位阴极)在一定温度下辐射的功率；为单位阴极的电阻；表示把单位阴极加热到一定温度所需的电流，单位为A/cm。对于直径为D的阴极，在一定温度下，加热电流为。对于我们所用的真空二极管，其加热电流与温度的关系已测定，见表1-4-1。

表1-4-1标准二极管的加热电流与温度的关系

综上所述，要测定某金属材料的逸出功，应首先将其做成二极管阴极，然后测定加热电流I_f，查得对应的温度T，再测得阳极电压U_a和发射电流I₀的关系，通过数据处理，得到I₀，最后用里查逊直线法求得逸出功。

【实验装置】

实验装置（WF—1型）如图1-4-5所示，包括标准二极管，灯丝加热电源，电流表，高压电源，检流计（微安表）和分流器等。

1、标准二极管

    本实验所用的是一个特殊设计的直热式真空二极管，阴极用纯钨做成，阳极是与阴极共轴的园筒。为消除阴极的冷端效应和电场不均匀的边缘效应，在阳极两端各装一个保护环。工作时，保护环与阳极等电势，但其电流不被测量。

2、灯丝电源是连续可调的低压稳定电源，供给二极管阴极加热电流I_f，高压稳压电源，经分压器分压，提供阳极电压U_a。

3、微安表(G)用来测量阴极发射电流I_a。

4、分流器：由于测量中I_a的变化范围较大，在微安表上并联一个分流器，用来扩大量程。分流器的刻度为1，0.5，0.1，0.05，……等，表示流过微安表的电流为总电流的若干分之一，而被测的总电流为微安表示值的1／0.5，1／0.1，……倍。

【实验内容】

1、按图1-4-5接好线路，经检查无误后，接通电源予热10分钟。

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。

【数据记录与处理】

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。

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。

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= -22913.56/-5040=4.546eV。

百分误差为E=（4.54-4.546）/4.54×100％= 0.132％

【思考题】

1、逸出电位与激发电位、电离电位和光电效应实验中的遏止电位有什么区别？

       逸出电位是绝对零度下能量最大的电子溢出金属表面所需给予的能量；电离电位指通过碰撞方式使电子从原子电离所需加给电子的最小加速电压；激发电位指通过碰撞的方式使原子从低能级跃迁到高能级所需的最小加速电压；遏止电位指光电效应中加在光电管阴极和阳极之间使光电流恰好为零的最小反向电压。

2、为了提高测量精度，实验中应注意什么？

       实验开始时灯丝需要预热。改变灯丝电流时要等待一定时间，再改变阳极电压，不可急于测数据，否则读数不稳定；另外，数据处理时通过查表的到的灯丝温度也不准确。

3、里查逊直线法有什么优点？在你以前作过的实验中，有无类似的数据处理方法？

       该方法在求解问题时，通过数学变换将无法求得或不易求得的数据变为无关项，使原本不易求得的物理量求解出来。光电效应法测普朗克常量时，用到遏止电位与入射光频率的线性关系，通过斜率求的普朗克常量h。

4、为保护二极管不致损坏，应注意什么？

    灯丝电流不可超过0.80A，延长二极管的使用寿命；阳极电压不可过大，否则会击穿二极管。

    5、实验误差分析

    灯丝预热时间不够，每次读数前等待的时间也可能不够。灯丝电流较小时微安表的读数变化很小，加之电路电阻的存在会使电流读数不够精准。

【实验心得】

本次试验最大的收获顾名思义就是了解并学会gnuplot数据处理软件一些基本使用方法，以及测量逸出功的基本方法，还了解更多的一起使用方法，对今后设计性实验起到一定的帮助作用。

【实验原始数据】

 

第二篇：物理实验报告

示波器的使用

一、实验目的

1．了解示波器显示波形的原理，了解示波器各主要组成部分及它们之间的联系和配合；

2．熟悉使用示波器的基本方法，学会用示波器测量波形的电压幅度和频率；

3．观察李萨如图形。

二、实验仪器

1、  双踪示波器       GOS-6021型   1台

2、  函数信号发生器   YB1602型     1台

3、  连接线           示波器专用    2根

示波器和信号发生器的使用说明请熟读常用仪器部分。

三、实验原理

示波器由示波管、扫描同步系统、Y轴和X轴放大系统和电源四部分组成，

四、实验内容

1． 示波器的调整

（1）不接外信号，进入非X-Y方式

（2）调整扫描信号的位置和清晰度

（3）设置示波器工作方式

2． 正弦波形的显示

（1）熟读示波器的使用说明，掌握示波器的性能及使用方法。

（2）把信号发生器输出接到示波器的Y轴输入上，接通电源开关，把示波器和信号发生器的各旋钮调到正常使用位置，使在荧光屏上显示便于观测的稳定波形。

3．示波器的定标和波形电压、周期的测量

（1）把Y轴偏转因数和扫描时间偏转因数旋钮都放在“校准”位置（指示灯“VAR”熄灭）。

（2）把校准信号输出端接到Y轴输入插座

（3）把信号发生器的正弦电压接到Y轴输入端，用示波器测量正弦电压的幅值和周期，并和信号发生器上显示的频率值比较。

（4）选择不同幅值和频率的5种正弦波，重复步骤（3），记下测量结果。

4．李莎如图形的观测

（1）把信号发生器后面50Hz输出信号接到X通道，而Y通道接入可调的正弦信号

（2）分别调节两个通道让他们能够正常显示波形

（3）切换到X-Y模式，调整两个通道的偏转因子，使图形正常显示

（4）调节Y信号的频率，观测不同频率比例下的李萨如图

五、数据记录

1、频率测量

示波器频率计数器的测频精度      0.01%

示波器测频仪器误差          3%

函数信号发生器测频仪器误差          1%+1字

2、电压测量

示波器测量电压仪器误差3%   

函数信号发生器仪器误差15%+1字 

光速的测量

一、实验目的

    1．根据波的基本概念，设计光波参数测量的方法。

2．熟悉和利用周期性光信号测定光速的实验方法。

二、实验原理

       为产生光拍频波，要求相叠加的两光波具有一定的频差，这可通过超声与光波的相互作用来实现。在声光介质与声源（压电换能器）相对的端面敷以吸声材料，防止声反射，以保证只有声行波通过介质。超声在介质中传播，引起折射率的周期性变化，使介质成为一个位相光栅，激光束通过介质时要发生衍射。衍射光的圆频率与超声波的圆频率有关，第级衍射光的圆频率 ，其中是入射光的圆频率， 为超声波的圆频率， 为衍射级，利用适当的光路使零级与+1级衍射光汇合起来，沿同一条路经传播，即可产生频差为的光拍频波。

三、实验仪器

CG—Ⅲ型光速测定仪

四、实验步骤

   

1． 熟悉实验装置；按上图连接线路（除示波器和频率计外，其余设备和器件都已安装在光速测定仪的机箱里。激光器、各种镜片、斩光器装在台面上。）

2．打开激光电源，调节激光电流至4.5mA左右。按照图1－8－5调节整个光路：激光束经过声光移频器射向小孔光阑，（此时声光移频器不加信号，也不开斩光器电源）。调整小孔光阑位置使激光束完全通过，并照射在450角放置的全反射镜片上。反射光再经一半反射镜片分成两束光（一束透射光、一束反射光），一束透射光直接经过另一个半反射镜反射后进入光电二极管接收器，这束光是近程光信号。另一束反射光经过台面上左右两排反射镜的几次反射，最后也经过同一个半反射镜进入信号接收器，这束光是远程光信号。调节斩光器的位置和高低，使两光束均能从斩光器的开槽中心通过。

3．依次调节各全反镜和半反镜的调整架螺丝，使远程和近程两光束在同一水平面内反射、传播，最后垂直入射到光电二极管接收器上。光电二极管接收器封装在左侧的小箱内，可以移开小天窗盖并调节光电二极管接收器位置。手动斩光器，使斩光器的喇叭口开槽置于遮断远程光而使近程光进入接收器位置。观察近程光信号是否照在了光电二极管接收器上（光电二极管的玻璃罩被照亮）。再手动斩光器遮断近程光而使远程光进入接收器位置。观察远程光信号是否照在了光电二极管接收器上（光电二极管的玻璃罩被照亮）。整个调节的目的是使近程和远程光信号以最大光强度照射到光电二极管接收器上。

4．接通12伏功率信号源直流稳压电源，调节功率信号源的输出频率，使衍射光最强。调节小孔光栏，使1级或零级衍射光通过。再次检查调节各全反镜和半反镜的调整架，使远程和近程两光束在同一水平面内反射、传播，最后垂直入射接收头。

5．打开斩光器电源，斩光器开始旋转，遮断（可用窄纸片）远程光而使近程光进入接收器，示波器上会有近程光的光拍信号波形出现，微调功率信号频率，使波形幅度最大。再遮断近程光使远程光照亮信号接收器，观察远程光的光拍信号波形是否与近程光的幅度相等，如不相等，可调节最后一个全反镜的俯仰，改变远程光进入接收器的光通量，使两波形的幅度相等（必要时还可在接受器外的光路上加一个会聚透镜，将远程光会聚起来入射接收器）。

6．按常规调节示波器：示波器上出现两个幅度大致相等但位相差不等于零的正弦波形。要测量相位相同时的光程差，必须找出两波形位相差为零的位置。可用两种方法：一种是观察两束拍频光波的波形，调整远程光距离，使两波形完全重合，此时两路光的程差即为拍频波长。另一种方法是在示波器上调出两束光波的李萨如图形，这需要调整远程光距离找出相位相同点，且调节两光束幅度相同才可实现。李萨如图形如下图所示：因为调节李萨如图形对两束光波的要求较高，一般不易调出来，所以常用调节两波形完全重合的方法。

 7．用手柄前后移动在轨道中段装有反射镜的滑动平板，改变两路光的程差，使示波器上两波形完全重合。此时，两路光的光程差即为拍频波长。

8．测量拍频波长，并用数字频率计精确测定功率信号源的输出频率。反复进行多次，记录测量数据。计算He—Ne激光在空气中的传播速度及其标准误差。

五、注意问题

1、电动旋转式斩光器斩光时，任一时刻只有一束光通过而另一束被斩断，使两光路交替由接收器接受并输入示波器显示波形。利用示波器的显示屏的余晖，我们在单通道示波器上可同时看到两路拍频光波的波形，以达到比较两路光拍频波相位的目的。因此，为正确比较相位，必须用统一的时基，示波器工作且不可用在触发同步，应用功率信号做示波器的外触发同步信号，避免引起较大测量误差。

2、数字频率计使用在KHZ档位上。

3、由于设备上未安装标度尺，使用钢卷尺测量远近光程时应注意尽可能减小误差。

光电效应和普朗克常数的测定

一、实验内容：

1.通过实验加深对光的量子性了解；

2.通过光电效应实验，测定普朗克常数；

3.测量光电管的伏安特性曲线。

二、实验仪器：

汞灯、干涉滤光片（365nm，405nm，436nm，546nm，577nm）、光电管、光电效应测试仪，示波器

三、实验原理：

1.光电效应

图1所示的是研究光电效应的一种简单的实验装置。在光电管的阴极K和阳极A之间加上直流电压U，当用单色光照射阴极K时，阴极上就会有光电子逸出，即为光电效应。

图1 光电效应实验装置

                          图2 截止电压与入射光频率的关系图

爱因斯坦方程：                      （1）

其中m和v_m是光电子的质量和最大速度，W为金属的逸出功，是光电子逸出表面后所具有的最大动能。

截至电压与最大动能的关系：

                  （2）

光电子的最大出动能与入射光光强无关。

当入射光频率υ逐渐增大时，截至电压U₀将随之线性增加。由（1）式和（2）式可知

                    （3）

对于每一种金属，只有当入射光频率υ大于一定的红限频率υ₀时，才会产生光电效应。

 光电效应是瞬时发生的。实验发现，只要入射光频率，无论光多么弱，从光照射阴极到光电子逸出这段时间不超过10^-9s。

2.普朗克常数测定

根据（3）式可知，测量不同频率的光截止电压，寻求频率v与截止电压U₀的线性关系h/e，见图2，从而求得普朗克常数h。

四、实验步骤：

1．测量准备

（1）将测试仪及汞灯电源打开，预热20分钟。——汞灯及光电管的暗箱用遮光罩罩住

（2）调整光电管与汞灯的距离，约为40厘米。并保持不变。

（3）用专用电缆将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端连接起来。

（4）将“电流量程”选择开关置于所选档位（截止电压测试为10^-13，伏安特性测试为10^-10）。

（5）调零：将光电管暗箱电流输出端k与测试仪微电流输入端断开，调节电压，使电流表指示为000.0。

（6）确认调零。按“调零确认/系统清零”按钮。

（7）选取“截至电压”测量，“手动”模式。

2．测量截至电压

（1）       撤去光电管入口遮光罩，将2mm的光阑放入光电管入口处；

（2）       撤去汞灯灯罩；

（3）       将波长为365nm的滤波片套在光电管入口处，此时仪表所显示的就是对应波长的光电管电压与电流值；

（4）       轻点“电压调整”周围的“<”和“>”以及“ ”和“ ”来改变电压，观察电流的变化，当电流指示约为“000.0”，此时的电压表指示就是该波长光所对应的截止电压。

（5）       将365nm滤光片依次换成405nm、436nm、546nm、577nm的滤光片，重复3~4步骤。分别记录各自的截止电压。

3．光电管伏安特性测试

（1）       按“系统清零/调零确认”按钮，重复1中步骤（4）~（6）；

（2）       选取“伏安特性”测量，“手动”模式（或“自动”模式）。

（3）       将某一波长的滤光片套在光电管入口处，改变电压，从-1v开始增加，最高电压为50v，分别记录各电压下所对应的光电流。

（4）       将电压为横坐标，光电流为纵坐标，在图中描绘出曲线，即为该波长伏安特性曲线。

注意：在“自动”模式下，系统默认电压范围为“-1.0V~35V”。

硅光电池特性研究

一、实验目的

1、掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。

2、了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。

3、掌握硅光电池的工作原理及负载特性。

二、实验仪器

THKGD-1型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。

三、实验原理

1、PN结的形成及单向导电性

PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于正向导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截至状态。

2、LED的工作原理

当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时,空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙有关。发光波长可由下式确定：

 

其中为普朗克常数，为光速。在实际的半导体材料中能级间隙有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长宽度一般在25～40nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率与驱动电流的关系由下式确定：

其中中，为发光效率，为光子能量，为电子电荷常数。

3、硅光电池的工作原理

光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。

4、硅光电池的负载特性

光电池作为电池使用如图4-30-6所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻R_L的值来测定硅光电池的伏安特性。

 

硅光电池伏安特性的测定

四、实验步骤

硅光电池特性实验仪框图如上图所示。超高亮度LED在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面,功能转换开关可分别打到零偏﹑负偏或负载。

1、硅光电池零偏和负偏时光电流与输入光信号关系特性测定

打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为0～20mA（相应于发光强度指示0～2000），将功能转换开关分别打到零偏和负偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换模块的输入端，将I/V转换模块的输出端连接到数显电压表头的输入端，分别测定光电池在零偏和负偏时光电流与输入光信号关系。记录数据并在同一张方格纸上作图，比较硅光电池在零偏和负偏时两条曲线关系，求出硅光电池的饱和电流I_s。

2、硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测定

将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（如取10K）和数显电压表，从0～20mA（指示为0～2000）调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光电池输出电压随输入光强度变化的关系曲线。

3、硅光电池伏安特性测定

在硅光电池输入光强度不变时（取发光二极管静态驱动电流为15mA），测量当负载从0～100kΩ的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系曲线。

4、硅光电池频率响应的测定

将功能转换开关分别打到“零偏”和“负偏”处，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。令LED偏置电流为10mA（指示为1000），在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节函数信号发生器频率，用示波器观测并记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度的变化，测定光电池在零偏和负偏条件下的幅频特性，并测定其截止频率。将测量结果记录在自制的数据表格中。比较光电池在零偏和负偏条件下的实验结果，分析原因。