金屬电子逸出测定实验报告.docVIP

实验22 金属电子逸出功的测定 【实验目的】 1．用里查逊（Richardson）直线法测定金属钨的电子逸出功。 2．了解光测高温计的原理和学习高温计的使用。 3．学习数据处理的方法。 【实验原理】 若真空二极管的阴极（用被测金属钨丝做成）通以电流加热，并在阳极上加以正电压时，在连接这二个电极的外电路中将有电流通过，如图3—22—1所示。这种电子从加热金属丝发射出来的现象，称为热电子发射。 研究热电子发射的目的之一可以选择合适的阴极材料。诚然，可以在相同加热温度下测不同阳极材料的二极管的饱和电流，然后相互比较，加以选择。但通过对阴极材料物理性质的研究来掌握其热电子发射的性能，这是带有根本性的工作，因而更为重要。 1．电子的逸出功 根据固体物理学中金属电子理论，金属中的传导电子能量的分布是按费米——狄拉克（Fermi-Dirac）分布的。即 3—22—1 式中称费米能级。 图3—22—1 图3—22—2 在绝对零度时电子的能量分布如图3—22—2中曲线（1）所示。这时电子所具有的最大能量为。当温度升高时电子的能量分布曲线如图3—22—2中曲线（2）所示。其中能量较大的少数电子具有比更高的能量，而其数量随能量的增加而指数减少。 在通常温度下由于金属表面与外界（真空）之间存在一个势垒，所以电子要从金属中逸出必须至少具有能量从图3—22—2可见，在绝对零度时电子逸出金属至少需要从外界得到的能量为： 称为金属电子的逸出功，其常用单位为电子伏特（ev），它表征要使处于绝对零度下的金属中具有最大能量的电子逸出金属表面所需要给予的能量。称为逸出电位，其数值等于以电子伏特表示的电子逸出功。 可见，热电子发射就是用提高阴极温度的办法以改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量大于，这样能量大于的电子就可以从金属中发射出来。因此，逸出功的大小，对热电子发射的强弱，具有决定性作用。 2．热电子发射公式 根据费米—狄拉克能量分布公式3—22—1，可以导出热电子发射的里查逊—杜什曼（Richar-dson-Dushman）公式 3—22—2 式中——热电子发射的电流强度，单位为安培。 ——和阴极表面化学纯度有关的系数，单位为安培/厘米2·度2。 ——阴极的有效发射面积，单位为平方厘米。 ——玻尔兹曼常数（K=1.38×10-23焦耳/开）。 原则上我们只要测定、、和，就可以根据3—22—2式计算出阴极材料的逸出功。但困难在于和这两个量是难以直接测定的，所以在实际测量中常用下述的里查逊直线法，以设法避开和的测量。 3．里查逊直线法 将3—22—2式两边除以，再取对数得到 3—22—3 从3—22—3可以看出，与成线性关系。如果以作纵坐标，以为横坐标作图，从所得直线的斜率即可求出电子的逸出电位，从而求出电子的逸出功。这个方法叫做里查逊直线法，它的好处是可以不必求出A和S的具体数值。直接从和就可以得出的值，和的影响只是使直线平行移动。这种实验方法在实验、科研和生产上都有广泛应用。 4．从加速场外延求零场电流 为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阴极，必须在阴极和阳极间外加一个加速电场。然而由于的存在使阴极表面的势垒降低，因而逸出功减小，发射电流增大，这一现象称为肖脱基（Scholtky）效应。可以证明，在加速电场的作用下，阴极发射电流和有如下的关系 3—22—4 式中和分别是加速电场为和零时的发射电流。对3—22—4式取对数得 3—22—5 如果把阴极和阳极做成共轴圆柱形，并忽略接触电位差和其它影响，则加速电场可表示为 3—22—6 式中和分别为阴极和阳极的半径，为加速电压，将3—22—6式代入3—22—5式得 3—22—7 由3—22—7式可见，在一定的温度和管子结构时，和成线性关系。如果以为纵坐标，以为横坐标作图，此直线的延长线与纵坐标的变点为。由此即可求出在一定温度下，加速电场为零时的发射电流。 综上所述，要测定金属材料的逸出功，首先应该把被测材料做成二极管的阴极。当测定了阴极温度，阳极电压和发射电流后，通过数据处理，得到零场电流，然后即可求出逸出功（或逸出电位）来了。 图3—22—3 图3—22—4 【实验装置】 根据上述实验原理，全套仪器应该包括二极管，二极管供电电源，温度测量系