逸出功实验报告.33507.report..doc

实验1-4 逸出功的测定【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若真空二极管的阴极(用被测金属钨做成)通以电流加热，并在阳极上加正电压，则在连结两个电极的外电路中就有电流通过，如图1-4-1所示。这种电子从加热金属中发射出来的现象，称热电子发射。研究热电子发射的目的之一，就是要选择合适的阴极材料。逸出功是金属的电子发射的基本物理量。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。可见，热电子发射，就是利用提高阴极温度的办法，改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量大于Wb，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原则上，只要测出I0，A，S，T，便可由(1-4-3)式计算出逸出功e，但困难的是A和S是难以直接测量的，所以，在实际测量中，常用下述的里查逊直线法确定e，以设法避开A和S的测量。 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(1-4-3)式中的I0是不存在外电场时的阴极热发射电流。无外场时，电子不断地从阴极发射出来，在飞向阳极的途中，必然形成空间电荷，空间电荷在阴极附近形成的电场，正好阻止热电子的发射，这就严重地影响发射电流的测量。为了消除空间电荷的影响，在阳极加一正电压，于是阳极和阴极之间形成一加速电场Ea，使电子加速飞向阳极。然而由于Ea的存在，使阴极发射电子得到助力，发射电流较无电场时大。这一现象称肖特基(Schottky)效应。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的测量由(1-4-3)式可知，阴极发射电流与T有关，指数项中含有T，对发射电流的影响很大。温度测量误差对结果影响很大。测量阴极温度的方法虽然不少，但精度都不高。本实验是以测量加热电流的方法来确定温度。给阴极通以电流If，在产生热量的同时，阴极还辐射热量。在发热功率和辐射功率达到平衡时，阴极达到一定的温度。电流If与温度T有一定函数关系。有人已对纯钨丝的比加热电流作过精确的测量。比加热电流为，其中为长为1cm，直径为1cm的阴极(称单位阴极)在一定温度下辐射的功率；为单位阴极的电阻；表示把单位阴极加热到一定温度所需的电流，单位为A/cm。对于直径为D的阴极，在一定温度下，加热电流为。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】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。图1-4-5 实验装置连接图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。【数据记录与处理】1、lgIa曲线根据原始数据计算出不同If下，lgIa与的值，如表1所示。表1 不同If下lgIa与的值If/AUa1/2/V1/24.475.486.327.077.758.378.949.4910.0010.4910.950.50lgIa/A-0.52-0.39-0.39-0.39-0.30-0.30-0.30-0.30-0.30-0.30-0.300.550.270.300.300.300.320.320.320.340.340.340.340.600.850.860.880.890.890.890.890.890.900.900.910.651.381.391.401.411.421.421.431.431.431.431.440.701.871.881.881.891.891.901.901.911.911.911.920.752.322.332.332.342.342.342.352.352.352.362.36由表1中的数据可做不同If下lgIa曲线，如图1所示。图1 lgIa曲线由上图可读出不同If下lgIa曲线的截距lgI0，如表2所示。表2 不同If对应的lgI0If/A0.500.550.600.650.700.75lgI0/A-0.4950.2330.8241.3451.8372.2952、曲线知不同If对应不同温度，如表3所示。表3 标准二极管的加热电流与温度的关系If/A0.500.550.600.650.700.75T/K172018001880196020402120由表2和表3中数据可得和对应数据，如表4所示。表4 不同If下与的关系If/A0.500.550.600.650.700.75/10-45.815.565.325.104.904.72lg(I0/T2)/ A/K2-6.966-6.277-5.724-5.239-4.782-4.358由上表可作出曲线，如图2所示。图2 曲线由上图可知斜率()/()=-22913.56，根据里查逊直线法可知逸出功e=()/()/-5040= -22913.56/-5040=4.546eV。百分误差为E=（4.54-4.546）/4.54100= 0.132【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？逸出电位是绝对零度下能量最大的电子溢出金属表面所需给予的能量；电离电位指通过碰撞方式使电子从原子电离所需加给电子的最小加速电压；激发电位指通过碰撞的方式使原子从低能级跃迁到高能级所需的最小加速电压；遏止电位指光电效应中加在光电管阴极和阳极之间使光电流恰好为零的最小反向电压。2、为了提高测量精度，实验中应注意什么？实验开始时灯丝需要预热。改变灯丝电流时要等待一定时间，再改变阳极电压，不可急于测数据，否则读数不稳定；另外，数据处理时通过查表的到的灯丝温度也不准确。3、里查逊直线法有什么优点？在你以前作过的实验中，有无类似的数据处理方法？该方法在求解问题时，通过数学变换将无法求得或不易求得的数据变为无关项，使原本不易求得的物理量求解出来。光电效应法测普朗克常量时，用到遏止电位与入射光频率的线性关系，通过斜率求的普朗克常量h。4、为保护二极管不致损坏，应注意什么？灯丝电流不可超过0.80A，延长二极管的使用寿命；阳极电压不可过大，否则会击穿二极管。5、实验误差分析灯丝预热时间不够，每次读数前等待的时间也可能不够。灯丝电流较小时微安表的读数变化很小，加之电路电阻的存在会使电流读数不够精准。【实验心得】本次试验最大的收获顾名思义就是了解并学会gnuplot数据处理软件一些基本使用方法，以及测量逸出功的基本方法，还了解更多的一起使用方法，对今后设计性实验起到一定的帮助作用。【实验原始数据】If/AUa/V20304050607080901001101200.50Ia/A0.30.40.40.40.50.50.50.50.50.50.