3实验三LW-1钨的逸出功.doc

实验三 钨的逸出功实验 逸出功 ：电子克服原子核的束缚,从材料表面逸出所需的最小能量 ，称为逸出功。电子从金属中逸出，需要能量．增加电子能量有多种方法，如用光照、利用光电效应使电子逸出，或用加热的方法使金属中的电子热运动加剧，也能使电子逸出．本实验用加热金属，使热电子发射的方法来测量金属的逸出功。 LW－1 钨的逸出功综合实验仪为研究真空二极管内电子运动规律，了解热电子发射的有关物理现象提供便利，可进行理想真空二极管特性曲线测定，验证空间电荷区上二分之三次方定律。利用里查逊直线法进行数据处理，测定钨的逸出功。 实验目的： 研究真空二极管内电子运动规律，了解热电子发射的有关物理现象 验证空间电荷区上二分之三次方定律。 测定理想真空二极管特性曲线 利用里查逊直线法进行数据处理，测定钨的逸出功 仪器配置了用于测量板压，板流的二直流数字表及测量灯丝电压的交流数字表，不用增添其他仪器、仪表便可进行实验，便利实用。 原理 理想真空二极管的伏安特性 图1表示真空二极管的两种基本结构。在抽成高度真空（mmHg以上）的管壳中，密封着两个工作电极，一个叫阴极，一个叫阳极。阴极被加热到很高的温度（一般高达2500K数量级）。加热方式可以如图中（a）） 电子从金属表面逸出时必须克服一定的势垒，加热的作用就是提供给某些电子以必要的能量。阴极温度愈高，单位时间逸出的电子数就愈多，能提供的电流就愈大。这一过程与水分子从水面蒸发非常相似，温度愈高，水的蒸发也就愈快。 电子一旦逸出阴极，就能在真空中自由运动。假如像图1中那样，在阳极和阴极间加上电压，使阳极相对于阴极带正电压，形成的电场将把电子驱向阳极，然后流经外电路又回到阴极，这一电流称为阳极电流。它随两极之间所加电压大小而变化的关系称为二极管的伏安特性，如图2所示。真空二极管的伏安特性曲线也不同。仔细研究二极管伏安特性的变化规律，可以帮助我们了解一系列有关真空管中电子运动的现象和规律。 空间电荷区二分之三次方定律 当二极管阳极和阴极之间所加的电压相对来讲比较小的话，从阴极发射出来的电子并不都跑向阳极构成阳极电流，有一部分电子聚集在阴极附近的空间，形成电子层，它所带的负电荷改变了阴极附近的电场分布，甚至会把从阴极发射出来的电子重又挡回阴极去，这种现象通常称作空间电荷，它限制了阳极电流的大小。随着阳极电压增大，更多的电子被阳极吸收，空间电荷减少，阳极电流的增长比阳极电压增长快，实验研究和理想分析表明，对于简单的平极型电极和同轴阅柱面电极的情况下，电流Ia随电压 Va的二分之三次方规律增加也称Langmuir-Child 定理。 对平板型电极有： （1） 式中 ε0为真空的介电常数，e/m为电子荷质比，S为阳极面积，d为阳极到阴极之间距离。 对于同心圆柱面电极有： (2) 1阳极圆柱面长度，b为阳极圆柱半径，β2为修正因子，它是阴极半径与阳极半径之比的函数，数据可以查图表得到。 饱和区，热电子发射公式 当阳极电压增大到一定程度，空间电荷全部为阳极吸收，从阴极发射出来的电子全部变为阳极电流，阳极电流的大小完全由阴极发射电子的速率决定。到达这一程度之后，即使νa再增加，电流Ia也不会增大，伏安特性出现饱和现象。图2中的伏安特性曲线对应着几个不同的阴极温度，在Va比较小的区域，Ia随νa增加属于空间电荷限制区，当Va足够大的区域，曲线逐渐趋近水平，饱和电流的大小与阴极温度有关，反映了阴极热电子发射能力随温度变化规律，实验和理论分析都表明，这一规律可以用下面的关系式表示，通常称作热电子发射公式，或Richardson-Dushman方程。 I=AST2e-Φ/KT (3) 式子： 阴极热电子发射的电流强度，即饱和电流（安培）， 阴极的有效发射面积（厘米2）， 热阴极的绝对温度（K）， Φ— 阴极金属的电子逸出功（电子伏特）， K — 玻尔兹曼常数K=1.38×焦尔/K， A— 普通常数 4、电子逸出功，里查逊直线法 根据固体物理中金属的电子理想，金属中的传导电子具有一定的能量，其能量是按照费米—狄喇克规律分布的。在绝对零度时，能量分布如图3中曲线（1）所示，电子具有的最大动能是Wi(称为弗水能级)，当温度升高，例如在1500K电子能量分布如曲线（2）所示，少数电子具有比Wi更大的能量，而且具有这样能量的电子数随能量的增加而指数递减。 在常温下（大于K）金属中几乎没有电子从其表面挣脱出来的原因是由于金属表面