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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划逸出功的测量,实验报告金属电子逸出功的测量一、实验目的1了解热电子的发射规律，掌握逸出功的测量方法。2了解费米狄拉克量子统计规律，并掌握数据分析处理的方法。二、实验原理电子逸出功及热电子发射规律热金属内部有大量自由运动电子，其能量分布遵循费米狄拉克量子统计分布规律，当电子能量高于逸出功时，将有部分电子从金属表面逃逸形成热电子发射电流。电子逸出功是指金属内部的电子为摆脱周围正离子对它的束缚而逸出金属表面所需的能量。逸出功为W0?Wa?Wf，其中为Wa位能势垒，Wf为费米能量。由费米狄拉
2、克统计分布律，在温度T?0，速度在vdv之间的电子数目为：m1dn?2()2(W?Wf)/kTdvhe?1其中h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数。选择适当坐标系，则只需考虑x方向上的情形，利用积分运算?e?mv2y/2kT?dvy?e?mvz/2kTdvz?(?22?kT1/2)(2)m可将式简化为m2kTWf/kT?mvx2/2kTdn?4?e?edvx(3)3h而速度为vx的电子到达金属表面的电流可表示为dI?eSvxdn其中S为材料的有效发射面积。只有vx?将代入数据测量与处理里查逊直线法：将(5)式两边同除以T2后取对数，得I?lgs2?lg?AS?103(6)TT由知lg(Is/T2)
3、与1/T成线性关系，只需测量不同温度T下的Is，由直线斜率可求得值，从而避免了A和S不能准确测量的困难。发射电流Is的测量：为有效收集从阴极材料发射的电子，必须在阴极与阳极之间加一加速电场Ea。而Ea降低了逸出功而增大发射电流，使测量到的发射电流值不是真正的Is，因此必须对实验数据作相应的处理。由理论推导，可得以下关系：lgIs?lgIs?从(7)式知，在选定的温度T下，lgIsUa较大)为线性关系，通过作图法求得直线的截距，即得零场发射电流Is。温度T的测量：实验通过测量阴极加热电流If来确定阴极温度T，两者关系已由厂家给出：T?1600If(8)三、实验仪器WF-3型电子逸出功测定仪，WF
4、-3型数字电压电流仪，标准真空二极管。四、实验内容1.按图1连接好实验电路，检查无错后，接通电源，预热15分钟。图1热电子发射法测量金属电子逸出功实验电原理图2.调节灯丝电流初始值为，每隔测量一次，共测8次。对应每个灯丝电流If,测量加速场阳极电压Ua分别为25、36、49、64、81、100、121、144V对应的阳极电流Is值,如表1。调节电压时应注意先粗调再细调；每次改变电流时要等待几分钟，使电流不再变化，表明此时温度已经稳定。-6利用式为T?1600If求得各灯丝电流对应的温度值。将式表示lgIs?lgIs?Is，则将测得的发射电流取以10为底的对数，将阳极电压开方，得到数据填入表2。
5、表2不同温度T和下对应的阳极电流的对数值lgIs由表2数据画出图形：图2不同温度下的lgIs关系曲线lgIs进行线性拟合，拟合形式lgIsY=A+B*X，其中Y=R为相关系数。结果如表3：由表3可知，相应的直线截距值，即lgIs，注意表3中Is单位为10-6A，应转换为A，再运算求得各个对应的零场发射电流Is，如表4。表4不同温度下的零场发射电流lgIs及Is表5lg(Is/T2)1/T的关系12lg(I/T)s利用origin作图得到T关系如图3：2lg(I/T)s图31T关系Y=A+B1*XParameterValueError-AB1-R-Square(COD)SDNP-逸出功的测量粗略
6、地讲，电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能量，因而逸出金属表面时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子的逸出功。在一高度真空的玻璃管中装上两个电极，其中一个用金属丝作成，并通以电流使之加热；在另一电极上加一高于金属丝的正电位，则在连接这两个电极的外电路中就有电流通过。反之，若被加热金属丝的电位高于阳极，则外电路中就没有电流。有电子从加热了的金属丝中射出，这现象称为热电子发射。研究各种材料在不同温度下的热电子发射，对于以热阴极为基础的各种电子管的研制是极为重要的，电子的逸出功正是热电子发射的一个基本物理参量。一、实验目的用里查孙直线法测定阴极材料的电子逸出功；通过实验，了解热电子发
7、射的规律和掌握逸出功的测量方法。二、实验原理根据量子论，原子内电子的能级是量子化的。当某一能级被一个电子所占有，其他的电子就不能再占有这个能级。在金属内部运动着的自由电子遵循类似的规律：金属中自由电子的能量是量子化的；电子具有全同性；能级的填充状况要符合泡利不相容原理。根据现代的量子论观点，金属中电子的能量分布服从费密狄喇克分布。在热力学温度零度时，电子数按能量的分布曲线如(来自:写论文网:逸出功的测量,实验报告)左图中的曲线所示，此时电子所电子能量分布图具有的最大动能为Wi。当温度升高时，电子能量分布曲线如上图中的曲线所示，其中少数电子能量上升到比Wi高，并且电子数以接近于指数的规律减少。由
8、于金属与真空之间有位能壁垒Wa，如右图。因此电子要从金属中逸出，必须具有大于Wa的动能。W0=Wa-Wi即为逸出功。热电子发射是用提高阴极温度的办法以改变电子的能量分布，使动能大于Wi的电子增多，从而使动能大于Wa的电子数达到一可观测的大小，这位能势垒图时动能大于Wa的电子就有可能从金属发射出来。可见，逸出功的大小对热电子发射的强弱有决定性的作用。根据以上的理论，可以推导出关于热电子发射的里查孙德西曼公式：?W?W/kTJe?2?1?Re?A1T2e?ai?其中，Je是单位面积发射的电流，Wa?Wi?e0?为该金属的逸出功，单位常用电子伏特表示，?称为逸出电位，A1为普适常数，A1=/(cmK
9、)2。Re为金属表面对发射电子的反射系数。T为热力学温度。2?e0?/kT若令2(1?Re)A，1?A，则Je?ATe于是得发射电流的公式：Ie?AST2e-e0?/kT，S为阴极金属的有效发射面积。三、测量及数据处理1.A与S两个量的处理A这个量直接与金属表面对发射电子的反射系数Re有关，而Re又与金属表面的化学纯度有很大关系，其数值决定于位能壁垒。如果金属表面处理不够洁净，电子管内真空度又不够高，则所得的Re值就有很大差别，直接影响到A值。其次由于金属表面是粗糙的，计算出的阴极发射面积与实际的有效面积S也可能有差异，因此A与S这两个量难以测定，甚至是无法测量。为此，可以做如下的处理。将上式
10、子两边除以T2，再取对数得到：Ie1e0?3?lg(AS)?lg(AS)?10II从上式可以看出，lge2与1/T成线性关系如果以lge2作纵坐标，以1/T为横坐标TTlg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e?。由于A与S对某一固定材料的阴极来说是常数，故lg(AS)一项只改变lgIe1/T直线的T2截距，而不影响直线的斜率，这就避免了由于A和S不能准确测得以致影响确定?的困难。这个方法叫做里查孙直线法。2.发射电流Ie的测量如下图所示，在阴极与阳极之间接以灵敏检流计G，当阴极通以电流If时，有热电子发射，则应有发射电流Ie通过G。但是，当热电子不断从阴极发射
11、出来飞往阳极的途中，必然形成空间电荷，这些空间电荷的电场必将阻碍后续的电子飞往阳极，这就严重地影响发射电流的测量。为此，必须维持阳极电位高于阴极，即在阳极与阴极之间外加一个加速场Ea，使电子一旦逸出，就能迅速飞往阳极。下图是测量Ie的原理图和示意图。外加电场Ea固然可以消去空间电荷的影响，然而，正是由于Ea的存在，就不能不影响热电子的发射，即出现肖特基效应。所谓肖特基效应，是指在热电子发射过程中受到阳极加速电场的影响，使电子从阴极发射出来时将得到一个助力，因而增加了电子发射的数量。增加后的值自然不是真正的Ie值，而必须作相应的处理。通常，在加速场Ea的作用下，阴极发射电流Ie与Ea有如下的关系
12、：TIe?Iee式中，Ie和Ie分别是加速电场为Ea和0时的发射电流对上式取对数得：lgIe?lgIe如果把阴极和阳极做成共轴圆柱形，则有lgIe?lgIe式中，r1和r2分别为阴极和阳极的半径，Ua为加速电压，Ua为接触电位差及其他原因引起的电位差，在一般情况下，测量Ie的原理图测量Ie的示意图外加电压Ua?Ua，所以有：lgIe?lgIe由上式可见，在一定的温度T和管子结构下，如果以lgIelgIelgIe。由此即可求出在一定温度下，加速电场为零时的发射电流。3.温度T的测量通过测量阴极加热电流来确定阴极温度。对于纯钨丝，一定的比加热电流I1与阴极温度的关系已经有前人精确地测算出了，并列成
13、表。I1=If/(dK)3/2，其中If为阴极加热电流，dK为阴极钨丝直径。可以由阴极电流的大小得出比加热电流的大小，从而查表得出对应的温度T。四、仪器装置极板与阴极电场分布图不加保护环加保护环二极管构造本实验所用的电子管为一特殊设计的直热式二极管。阴极为纯钨丝。阳极作成与阴极共轴的圆筒。注意到靠近阳极两端的电场分布不同于灯丝中段周围的电场分布，如左图所示。为了使阳极和灯丝间的电场均匀，在阳极两端加上两个电极，它们和阳极半径相同并共轴，如左图所示。实验时使保护环的电位与阳极相近。只测阳极的电流，那么这时阳极电流就不受边缘电场不均匀的影响了。保护环的另一个重要作用是保证了所使用的灯丝中段的温度是均匀的，避免了灯丝两头“冷端”的影响，使得测量到的阳极电流更加稳定可靠。管子的具体结构示意图见下图。H和K为灯丝的两端，A1为阳极，A2为保护环。实验所用仪器及规格：灯丝电源Ef约05V电流表A量程1A，测灯丝电流数字电压表mV0200mV，四位半读数实验板甲其上安装有标准二极管，灯丝KH两端已经并联上由两个相同电阻R串联而成的电阻。两个电阻的连接点用C表示；实验板乙其上安装有下面两图中除数字毫伏表外的所有元件及连线。注：实际测量线路图略有不同测发射电流的方法是在加速电路中串入负载电阻Re，用一块量程为200mV的四位半数字电压表测量Re上
