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121233]1)[exp()2(4)()(kTEEEmhdEdNENEfF（1）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FE（费密能级）。当温度T＞0时，电子的能量分布曲线如图中曲线(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bE，电子要从金属中逸出，至少具有能量bE。在绝对零度时电子逸出金属至少要从外界得到的能量为eEEEFb0（2）0E(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FE具有最大能量的电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bE。这样，能量大于势垒bE的电子就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)exp(2kTeASTI(3)式中I—热电子发射的电流强度(A)。A—和阴极表面化学纯度有关的系数(A·m-2·K-2)。S—阴极的有效发射面积(m2).T—发射热电子的阴极的绝对温度(K)。K—玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J·K-1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。将式(3)两边除以2T，再取常用对数得TASkTeASTI11004.5lg30.2lglg32(4)从(4)式可见，2lgTI与T1成线性关系。如以2lgTI为纵坐标，以T1为横坐标作图，从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，必须在阴极和阳极间外加一个加速电场aE。然而由于aE的存在会使阴极表面的势垒bE降低，因而逸出功减小，发射电流增大，这一现象称为肖脱基效应。在阴极表面加速电场aE的作用下，阴极发射电流aI与aE有如下的关系)439.0exp(TEIIaa(5)式中aI和I分别是加速电场为aE和加速电场为零时的发射电流。对(5)式取对数得aaETII30.2439.0lglg(6)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121lnrrrUEaa(7)式中1r和2r分别为阴极和阳极的半径，aU为阳极电压，将(7)式代入(6)式121ln30.2439.0lglgrrrUTIIaa(8)由右图所示。直线的延长线与纵坐标的交点即为Ilg。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fI从0.55～0.75A，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aI，并计算对数值aIlg。３.作出aIlg～aU图线。再根据aIlg～aU直线的延长线与纵坐标上的截距，从图上直接读出不同阴极温度时的零场热电子发射电流I的对数值Ilg。４．计算不同温度T时的2lgTI和T1值，并据此作出2lgTI～T1图线。根据直线斜率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T/103K1.801.881.962.042.12阳极电压Ua阳极电流Ia/μAIa/μAIa/μAIa/μAIa/μAIa/μA16520692165838402552172221620878365217423864190649522752526619276462378259682948816238026569097210062481272692995121624832777061010【数据处理】1.计算机数据处理记录：T/K180018801960204021202152Ilg-5.4-4.8-4.28-3.79-3.35-3.212lgTI-17.92-17.36-16.87-16.42-16.01-15.88/10/14TK5.565.325.104.904.724.65逸出功eφ=4,456eV与逸出功公认值eφ=4.54eV相比的相对误差：rE=1.9%2.图解法数据处理：在不同阳极加速电压和灯丝温度下的阳极电流aU/V1/2fI/A,4.05.06.07.08.09.010.011...
