1 实验名称：溢出功的测量一、实验目的1．了解热电子发射的概念2．了解电子逸出功的概念3．掌握里查孙直线法测定金属电子逸出功的方法4．学习直线测量法、外延测量法和补偿法等基本实验方法二、实验原理：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．图1 如图 1所示，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，在连接这二个电极的外电路中将有电流通过．这种电子从加热金属线发射出来的现象，称为热电子发射．研究热电子发射的目的之一，是选择合适的阴极材料．诚然，可以在相同加热温度下测量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，是带有根本性的工作，因而更为重要．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Wa ，所以电子要从金属中逸出必须至少具有能量Wa ，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W0=Wa-Wf=eΦW0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．Φ称为逸出电位，其数值等于以电子伏特表示的电子逸出功．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Wa ，使电子能够从金属中发射出来．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 １ 热电子发射公式根 据 费 米 –狄 拉 克 能 量 分 布 公 式 ， 可 以 导 出 热 电 子 发 射 的 里 查 逊 — 杜 什 曼(Richar-dson-Dushman)公式：(1) 式中 I 为热电子发射的电流强度，单位为 A； A为和阴极表面化学纯度有关的系数，单位为Ａ /cm2?C2；S为阴极的有效发射面积，单位为cm2；k为玻尔兹曼常数(k ＝ 1.38 ×10-23J/K) ． 原则上我们只要测定I ，A，S和T，就可以根据式(11.1) 计算出阴极材料的逸出功，但困难在于A和S 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A和 S的测量．２ 里查逊直线法将式 (1) 两边除以 T2，再取对数得到(2 从式 (11.2) 可以看出 , 与1/T 成线性关系．如果以作纵坐标，以1/T 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Φ ，从而求出电子的逸出功eΦ．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I 和T就可以得出 Φ的值， A和S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．３ 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阳极，必须在阴极和阳极间外加一个加速电场Ea．然而由于 Ea的存在使阴极表面的势垒Eb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Ea的作用下，阴极发射电流Ia 与Ea有如下的关系：(3) 式中， Ia 和I 分别是加速电场为Ea和零时的发射电流．对式(11.3) 取对数得(4) 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 (5) 式中， r1 和r2 分别为阴极和阳极的半径，Ua为加速电压．将式(5) 代入式 (4) 得 (6) 由式 (6) 可见，在一定的温度T和管子结构下，logIa 和成线性关系．如果以logIa 为纵坐标，以为横坐标作图，此直线的延长线与纵坐标的交点为logI ．由此即可求出在一定温度下，加速电场为零时的发射电流I( 如图 2所示 ). 图2 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级管的阴极．当测定了阴极温度T，阳极电压Ua和发射电流Ia 后，通过数据处理，得到零场电流I ，然后即可求出逸出功eΦ(或逸出电位Φ)来3 了．三、实验仪器：THQYC —1型金属电子溢出功实验仪、理想二极管、导线若干。
四、实验内容和步骤：. (1) 熟悉仪器装置，并加接好安培表(1A，监视灯丝电流If)、伏特表 (150V，测量阳极电压Ua)和微安表 (1000 μA，测量阳极电流Ia) ．接通电源预热10min．(2) 调节光测高温计和理想二极管，使光测高温计灯丝和理想二极管灯丝都成像清楚，并在视场中央相交．(3) 取理想二极管参考灯丝电流If 为0.55A~0.75A ，每隔约 0.05A 进行一次测量．理想二极管灯丝的温度用光测高温计测定，因此灯丝电流If 仅作参考．这样做，可使各次测得的温度的间隔比较均匀些． 如果不用参考电流， 只要将仪器面板上标有If 字样的二个接线柱连接起来即可．如果为了简化实验，不用光测高温计测量温度，也可以根据灯丝电流If 查下表得到灯丝的温度T．但这时安培表应该选用级别较高的0.5 级表．(4) 对每一参考灯丝电流必须进行多次温度测量( 一般做 6~7次) ，以减小偶然误差，并记录数据于表１中，求出灯丝温度T．(5) 对每一参考灯丝电流在阳极上加25V， 36V，49V，64V，⋯⋯， 144V诸电压，各测出一组阳4 极电流，记录数据于表２中，作图并换算至表3． (6)根据表 11.3 数据，作出 logIa – 图线，求出截距logI ，即可得到在不同灯丝温度时的零场热电子发射电流以I ．(7) 根据表 11.4 数据，作出图线，从直线斜率求出钨的逸出功eΦ( 或逸出电位 Φ )．六、数据处理：5 七、实验结论与讨论：指导教师批阅意见：成绩评定：预习（20分）操作及记录（40 分）数据处理20 分结果与讨论10 分思考题10 分总分1、报告内的项目或内容设置，可根据实际情况加以调整和补充。