Transcript 实验13 金属电子逸出功的测定

实验3.11 金属电子逸出功的测定
实验目的
实验仪器
实验原理
实验内容和步骤
思考题
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大学物理实验
实验目的：
1.了解热电子发射的基本规律。
2.用理查孙直线法测定金属钨电子的逸

出功 e （或逸出电位
）。
3.学习直线测量法、外延测量法等基本
实验方法。
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实验仪器：
• W-Ⅲ型电子逸出功测定仪
• 理想二极管
如图2所示，阴极K是用纯钨丝做成，阳
极是用镍片做成圆筒形电极。为了避免阳极
两端因灯丝温度较低而引起的冷端效应和电
场的边缘效应，故在阳极上下端各装一个栅
环电极B（或称保护电极）与阳极加相同电
压，但其电流不计入阳极电流中，这样使其
成为理想二极管。
B
K A
B
图2 理想二极管的结构
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实验原理：
1.电子的逸出功及热电子发射
（1）逸出功：电子逸出金属表面至少需要从外界得到的能
量为 E  E  E  e ，E 称为金属电子的逸出功，
0
b
F
0
也称功函数
e是电子电荷， 称为逸出电位，EF 称为费密能级，
Eb 势阱的深度。
（2）热电子发射：电子从被加热金属中逸出的现象。
（3）不同的金属材料具有不同的逸出功，因此，逸出功的
大小对热电子发射的强弱，起决定性作用。
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（4）热电子发射既与发射电子的材料的温度有关，也
与阴极材料有关。
Ia
μA
A
T=2600K
Ia
T=2500K
+
Ea
Ua
T=2400K
K
T=2300K
If
0
图3 真空二极管外电路图
图4 二极管电子电流曲线
Va
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（ 5）根据费密-狄拉克分布可以导出热电子发射遵循的理查
孙-杜西曼（Richardson—Dushman）公式(无外电场时
的热电子发射公式)
I0  AST 2 exp(e / KT )
(1)
式中 ：I0——热电子发射的电流强度，单位为A
A——和表面化学纯度有关的系数，单位为A·m-2·K-2
S——阴极的有效发射面积，单位为m2
K——玻尔兹曼常数（K=1.38×10-23J/K）
T——热阴极的绝对温度，单位为K
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原则上我们只要测定I、A、S和T，就可以根据
（1）式计算出阴极材料的逸出功。但困难在于A和S
这两量是难以直接测定的，所以在实际测量中常用
下述的理查孙直线法，以设法避开A和S的测量,这是
一种数据处理的巧妙方法，非常有用。
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2、理查孙直线法
将（1）式两边除以T2，再取对数得到
lg( I0 / T )  lg( AS )  e / 2.30KT
2
 lg( AS )  5.04 103 / T
(2)
lg( I0 / T 2 ) 与1/T成线性关系，上式为一直线方程。
由所得直线的斜率求出电子的逸出电位 
，
从而求出电子的逸出功
，这个方法叫做理
e
查孙直线法。
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3.从加速场外延求零场电流
肖脱基效应：外加电场Ea使逸出功减小，发射电流
增大的现象
I a  I 0 exp(0.439 Ea / T )
(3)
式中Ia和I0分别是加速电场为Ea和零时的发射电流
对（3）式取对数得
0.439
lg I a  lg I 0 
Ea / T
2.30
(4)
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将电场E用电压V来代替得：
0.439
lg I a  lg I 0 
2.30
1
r2
r1 ln
r1
Va / T
当阴极的温度T一定时，lgIa和 Va
关系
(5)
成线性
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Va
如果以lgIa为纵坐标，以
Va
为横坐标作图，如
图5所示，此直线的延
T5
lgI0
T4
T3
长线与纵坐标的交点，
T2
即截距为lgI0。由此即
T1
可求出在一定温度下，
加速电场为零时的热发
射电流I0。
lgIa
T5>T4>T3> T2> T1
图5 由lgIa～直线确定lgI
(I以uA 为单位）
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实验内容及步骤：
1.熟悉仪器装置并接线 。
2.将仪器面板上的电位器旋钮逆时针旋到底，接通电
源预热10分钟 。
3.调节理想二极管的灯丝电流，使灯丝电流显示
0.550A 。
4.调节理想二极管的阳极电压，使阳极电压分别为
25.0V、36.0V、49.0V、64.0V……144.0V电压，分
别测出对应的阳极电流Ia，记录相应的数据.
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5.二极管的灯丝电流，每次增加0.050A，重复上述测
量，直至0.800A。每改变一次灯丝电流都要预热5
分钟 。
6.测得的数据填入表格，进行数据处理 。
不同灯丝电流时灯丝的温度值
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在不同灯丝电流和阳极电压时测得的阳极电流值
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上表数据的换算值
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在不同灯丝温度时的零场电流及其换算值
I
I
根据数据作出 lg 02 ~ 图线，从图线求出的直线斜率
T
T
K=
,求得金属钨的电子逸出功=
eV。
金属钨的电子逸出功的公认值为 e =4.54 eV,计
算相对误差：E =
%
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注意事项：
由于理想二极管工艺制作上的差异，本仪器内
装有理想二极管限流保护电路，请不要将灯丝电流
超过0.80A
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思考题：
1.影响本实验结果的误差有那些因素？
2.什么是逸出功？改变阴极温度是否改变了阴极
材料的逸出功？
3.理查孙直线法有何优点？
4.灯丝电流为何要保持稳定？测量中，每次改变
If值时为何要预热几分钟才测量？
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作业：
完成本次实验的数据处理，预习下一次实验内容。