金属钨电子逸出功的测量

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1、金属钨电子逸出功的测量金属电子逸出功的测量是近代物理学一个重要实验，它不仅可以证明电子的存在，而且为无线电电子学发展起到过不可磨灭的作用。1884年。当美国著名发明家爱迪生对白炽灯进行研究时，他发现灯泡里的白炽碳丝会逸出带负电的电荷。1897年J．J.汤姆孙用磁场截止法测量了这个电荷的荷质比，证明从白炽碳丝逸出的电荷就是电子，后来被称为热电子。由此科学家确定了“有比原子小得多的微观粒子”，J．J.汤姆孙也被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。随后，通过对热电子发射现象的进一步研究，导致了真空电子管的出现。电子管曾在无线电电子学的发

2、展史中起过重要的作用，虽然目前在电子线路中它已绝大部分被晶体管和集成电路所取代，但在一些特殊场合，如显像、示波等，仍必须使用真空电子管。因此研究真空电子管的工作物质——阴极灯丝的电子发射特性(用逸出功大小表征)，仍具有实际意义。选择熔点高、逸出功小的金属作阴极材料对提高真空电子管的性能是很重要的。金属钨由于具有熔点高、制成的管子寿命长等优点而被当作常用的阴极灯丝材料。影响钨的逸出功的主要因素有：金属的纯净度、表面沾附层及结构处理工艺等，分别研究它们对逸出功的影响有利于对制造工艺的改进，提高电子管的性能．在这个实验里我们将测量具有洁净表面的纯金属

3、钨的逸出功，在该实验中，采用的里查逊直线法处理数据、利用光测高温计测量温度等均是甚为巧妙的实验方法。因此它对学生的基本实验技能是一个很好的训练。一、实验目的1.学习金属电子理论，了解金属热电子发射的基本规律；2.学习里查森直线法的数据处理技术；3.测量钨的逸出功eφ(或逸出电位φ)。二、实验仪器介绍．本实验采用东南大学物理系根据上述实验原理研制生产的WF-5型逸出功测定仪．仪器主要部分包括理想二极管、二极管供电电源、温度测量系统和测量阳极电压、电流的电表等。仪器具有以下特点：①将所有的电源和测量电表集成在一起，并将理想二极管、测温系统收缩到仪器

4、内部，形成黑匣子式实验仪器。②测量部分均采用数字化技术，将所有的模拟量都通过模数转换器转换成数字量进行测量，测量结果都以数字显示。③实验中涉及的所有测量技术均通过微处理器控制，且由大屏幕的LCD显示器，将所有的测量菜单、表格显示出来，同时所有的数据处理，直线拟合均有微处理器自动完成。考虑到本实验仪器的智能化，同学们难以直观看到或体会到仪器在制造、设计中的巧妙之处，请同学们在实验前仔细阅读下面的实验原理。三、实验原理1.金属电子理论简介金属中具有大量自由电子，称为自由电子气，自由电子是简并的。简并的意义是：金属中具有一定的、分立的电子状态，状态参

5、数可用电子的动量参数与自旋参数合起来表征。一个可能的电子状态最多具有一个电子，即电子状态可能被电子占据，也可能空着(泡利不相容原理)。但是不同的分立电子状态可能具有相同的能量，即是说属同一能量状态的电子占据数可能大于1个，这就是简并。由固体量子理论的分析可知，服从费米一狄喇克分布的自由电子在能量状态上的分布密度为：（3.2.1）图3-2-1位能势垒图f(E)的意义是在单位体积中自由电子分布在能量为E附近单位能量区间内的数量。式中h为普朗克常数，m为电子质量，EF称为自由电子气的费米能级，它就是多粒子体系的化学势，其随温度稍有变化，EF(T≠0k

6、)0k的情形，这时体系中有一部分电子的能量超过费米能级，它们的数量随能量增加而指数减小。图3-2-1右半部分给出在金属与外界真空之间存在一势垒Eb，电子若从金属中逸出到达外界须至少具有能量Eb。而在绝对零度时电子逸出金属至少需要从外界得到能量Eo=Eb-EF。Eo称为金属的逸出功。表面势垒的存在保证了金属的电中性，所以图中右半部分表示了金属表层附近势垒的情况。逸出功的

7、单位用电子伏特来表示，E0=eφ，φ称为逸出电位。一般地可以用升温的办法使金属中一部分电子的能量高于表面势垒Eb，这样电子就可不断地逸出金属形成热电子发射。2.热电子发射公式根据金属中自由电子体系能量分布密度函数即可导出热电子发射公式，这里只给出结果：（3.2.2）式中Is——热电子发射电流强度(A)；S——阴极有效发射面积(cm2)；T——热阴极温度(K)；eφ——即Eo，金属逸出功(电子伏特)；A——与阴极材料有关的系数．此公式称为里查森——杜西曼公式。如何用实验的方法测量eφ呢?由上式易见只要能分别测量IsA、S和T，eφ可直接计算得到。

8、但实验上对A与S的直接测量是十分困难的，因此需要寻求一种方法，它能避开对A、S的测量。下面要介绍的里查森直线法就成功地做到了这一点。从里查森直线法出发