金属逸出功实验

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1、示范报告金属电子逸出电势和荷质比的测量实习一金属电子逸出电势的测量【实验要求和目的】1.了解金属电子逸出功的基本理论2.学习用里查孙直线法测定钨的逸出功3.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31dN422EEF1f(E)N(E)(2m)E[exp()1]（1）3dEhkT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E（费密能级）。当温度T＞0F时，电子的能量分布曲线如图中曲线

2、(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E，电子要从金属中逸出，至少具有能量E。在绝对零度bb时电子逸出金属至少要从外界得到的能量为EEEe（2）0bFE(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E具有最大能量的电0F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E。这样，能量大于势垒E的电子就bb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2eIASTexp()(3)kT-2-2式中I—热电

3、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·K)。2S—阴极的有效发射面积(m).T—发射热电子的阴极的绝对温度(K)。-23-1K—玻尔兹曼常数，k=1.38×10J·K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。2将式(3)两边除以T，再取常用对数得Ie31lglgASlgAS5.0410(4)2T2.30kTTI1I1从(4)式可见，lg与成线性关系。如以lg为纵坐标，以为横坐标作图，从22TTTT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

4、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aab大，这一现象称为肖脱基效应。在阴极表面加速电场E的作用下，阴极发射电流I与E有aaa如下的关系0.439EaIIexp()(5)aT式中I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aa0.439lgIlgIE(6)aa2.30T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UaE(7)ar2rln1r1式中r和r分别为阴极和阳极的半径，U为阳极电压，12a将(7)式代入(6)式0.439Ua(8)lgIlgIa2.30Tr2

5、rln1r1由右图所示。直线的延长线与纵坐标的交点即为lgI。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I从0.55～f0.75A，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，„121V诸电压，各测出一组阳极电流I，并计算对数值lgI。aa３.作出lgI～U图线。再根据lgI～U直线的延长线与纵坐标上的截距，从图aaaa上直接读出不同阴极温

6、度时的零场热电子发射电流I的对数值lgI。I1I1４．计算不同温度T时的lg和值，并据此作出lg～图线。根据直线斜率22TTTT示范报告求出钨的逸出电势φ。【实验数据】灯丝电流If/A0.550.600.650.700.750.77灯丝温度1.801.881.962.042.123T/10K阳极电压阳极电流UaIa/μAIa/μAIa/μAIa/μAIa/μAIa/μA1652069216583840255217222162087836521742386419064952275252661927646237825968294881623802656909721006248127269299

7、5121624832777061010【数据处理】1.计算机数据处理记录：T/K180018801960204021202152lgI-5.4-4.8-4.28-3.79-3.35-3.21Ilg-17.92-17.36-16.87-16.42-16.01-15.882T14/10/K5.565.325.104.904.724.65T逸出功eφ=4,456eV与逸出功公认值eφ=4.54eV相比的相对误差：E=1.9%