逸出功的测定.docx

中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 逸出功的测定实验【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W0Wb一WFe （1-4-2）W0(e)称为金属电子的逸出功，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，称逸出电位。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(cm2)k-玻尔兹曼常数T-绝对温度e-金属的逸出功A-与阴极化学纯度有关的系数 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e值。A和S的影响只是使直线平移。4、发射电流I0的测量根据二极管理论，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。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1-4-4 1g Ia关系曲线由(1-4-8)式可见，温度T一定时，1g Ia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的测量对于我们所用的真空二极管，其加热电流与温度的关系已测定，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，然后测定加热电流If，查得对应的温度T，再测得阳极电压Ua和发射电流I0的关系，通过数据处理，得到I0，最后用里查逊直线法求得逸出功。【实验装置】图1-4-5 实验装置连接图实验装置（WF1型）如图1-4-5所示，包括标准二极管，灯丝加热电源，电流表，高压电源，检流计（微安表）和分流器等。1、标准二极管 本实验所用的是一个特殊设计的直热式真空二极管，阴极用纯钨做成，阳极是与阴极共轴的园筒。为消除阴极的冷端效应和电场不均匀的边缘效应，在阳极两端各装一个保护环。工作时，保护环与阳极等电势，但其电流不被测量。2、灯丝电源是连续可调的低压稳定电源，供给二极管阴极加热电流If，高压稳压电源，经分压器分压，提供阳极电压Ua。3、微安表(G)用来测量阴极发射电流Ia。4、分流器：由于测量中Ia的变化范围较大，在微安表上并联一个分流器，用来扩大量程。分流器的刻度为1，0.5，0.1，0.05，等，表示流过微安表的电流为总电流的若干分之一，而被测的总电流为微安表示值的10.5，10.1，倍。【实验内容】1、按图1-4-5接好线路，经检查无误后，接通电源予热10分钟。2、取不同的灯丝电流If (即对应于不同的温度T)，从0.50A开始，每隔0.05A测一次。对每一电流If，测阳极电压为20，30，40，120伏时的电流Ia。注意，If不能超过0.80A，以延长二极管寿命。每改变一次电流值，要恒温5发钟，使阴极达到热平衡。3、用单对数坐标纸作lgIa直线，求出截距1g I0，即求出不同电流If下的I0，查出对应的温度T。4、作直线。求直线的斜率()/()。计算钨的逸出功e。5、与公认值时e=4.54eV比较，作误差分析。【数据记录及处理】1、 lgIa-Ua的数据关系图表 1lgIa-Ua的数据关系2、 lgIa-Ua的直线图像图表 2 lgIa-Ua的直线图像由图像可得：对于给定的灯丝电压，电流Ia与阳极电压成直线关系；对于相同的阳极的电压，增大灯丝电流If，电流Ia也相应的增大，直线的截距也相应的增大即发射电流I0是增大的。下面是对lgIa-Ua进行直线拟合的数据，从中可以直接读出各个灯丝电流下的lgI0（直线的截距）。3、 不同电流If下的温度T和发射电流I0的数据关系4、 里查逊直线法的数据5、 直线图像对数据进行直线拟合，根据拟合的直线方程,从下面的直线方程参数中得到直线的斜率为-22070.47。6、 钨的逸出功的计算直线的斜率：-22070.47=-5040，则：误差： 误差分析：每次改变灯丝电流值之后，需要等待阴极达到热平衡，观察电流表的指针偏转较小时再进行读数，实验中，等待时间过短，电流表读数不精确都影响实验数据的精确性。【思考题】 1、逸出电位与激发电位、电离电位和光电效应实验中的遏止电位有什么区别？ (1)逸出电位：是指金属中的电子逃离金属表面，从金属逸出所加的电位，它不仅要克服原子核对电子的束缚，还要克服金属表面与空气间存在的势垒。 (2)激发电位：指使原子能发出光子所应加的点位，是原子能级之差。 (3)电离电位：指金属中电子摆脱原子核的束缚从原子中出来所加的电位，只需克服原子核的束缚即可，与势垒无关。 (4)遏止电位：指在光电效应装置的阳极与阴极之间加一个反向电压，使光电子恰好不能到达阳极所应加的电位。2、为了提高测量精度，实验中应注意什么？ (1)开始要预热10分钟。 (2)准确的读电流表示数，阴极发射电流与T有关，指数中有T，对发射电流影响很大，即温度对整个结果影响很大，而温度则是通过电流来体现，所以电流表的读数很重要。 (3)每改变一次电流要恒温5分钟，使阴极达到热平衡。【实验总结】 这次实验中，关于发射电流I0的测量，应用了数学上的关系，实验中无法测得发射电流I0，但发射电流I0和阳极发射电流Ia存在一定的数学关系，改变阳极电压，得到不同的Ia，再进行直线的拟合，由拟合的直线的截距来算出发射电流I0。在计算逸出功时，用到的方法主要是里