逸出功实验报告.33507.report.

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1、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】图1-4-1真空二极管工作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

2、布，即：(1-4-1)式中WF称费米能级。图1-4-2费米能量分布曲线图1-4-3金属表面势垒在绝对零度时，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WF。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WF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Wb，如图1-4-3。电子要从金属逸出，必须至少有能量Wb。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＝Wb一WF＝eφ（1-4-2）W0(eφ)称为金属电子的逸出

3、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Wb，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(c

4、m2)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I

5、0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Ea，使电子加速飞向阳极。然而由于Ea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Ea的作用下，阴极发射的电流为(1-4-5)式中Ia和I0分别是加速电场为Ea和零时的阴极发射电流。

6、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；Ua为阳极电压。将(1-4-7)式代入(1-4-6)式，得到(1-4-8)图1-4-41gIa—关系曲线由(1-4-8)式可见，温度T一定时，1gIa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

7、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If，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If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

8、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If/A0.500.550.600.650.700.750.80T/K1720180018801960204021202200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，