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1、金属钨电子逸出功的测量金属电子逸出功的测量是近代物理学一个重要实验，它不仅可以证明电子的存在，而且为无线电电子学发展起到过不可磨灭的作用。1884 年。当美国著名发明家爱迪生对白炽灯进行研究时，他发现灯泡里的白炽碳丝会逸出带负电的电荷。 1897 年 JJ.汤姆孙用磁场截止法测量了这个电荷的荷质比，证明从白炽碳丝逸出的电荷就是电子，后来被称为热电子。由此科学家确定了“有比原子小得多的微观粒子” ，JJ.汤姆孙也被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人” 。随后，通过对热电子发射现象的进一步研究，导致了真空电子管的出现。电子管曾在无线电电子学的发展史中起过重要的作用，虽然目前在电子线路中
2、它已绝大部分被晶体管和集成电路所取代，但在一些特殊场合，如显像、示波等，仍必须使用真空电子管。因此研究真空电子管的工作物质阴极灯丝的电子发射特性 (用逸出功大小表征 ) ，仍具有实际意义。选择熔点高、逸出功小的金属作阴极材料对提高真空电子管的性能是很重要的。金属钨由于具有熔点高、制成的管子寿命长等优点而被当作常用的阴极灯丝材料。影响钨的逸出功的主要因素有：金属的纯净度、表面沾附层及结构处理工艺等，分别研究它们对逸出功的影响有利于对制造工艺的改进，提高电子管的性能在这个实验里我们将测量具有洁净表面的纯金属钨的逸出功，在该实验中，采用的里查逊直线法处理数据、利用光测高温计测量温度等均是甚为巧妙的实
3、验方法。因此它对学生的基本实验技能是一个很好的训练。一、实验目的1.学习金属电子理论，了解金属热电子发射的基本规律；2.学习里查森直线法的数据处理技术；3.测量钨的逸出功e(或逸出电位)。二、实验仪器介绍本实验采用东南大学物理系根据上述实验原理研制生产的WF-5型逸出功测定仪仪器主要部分包括理想二极管、二极管供电电源、温度测量系统和测量阳极电压、电流的电表等。仪器具有以下特点：将所有的电源和测量电表集成在一起，并将理想二极管、测温系统收缩到仪器内部，形成黑匣子式实验仪器。测量部分均采用数字化技术，将所有的模拟量都通过模数转换器转换成数字量进行测量，测量结果都以数字显示。实验中涉及的所有测量技术
4、均通过微处理器控制，且由大屏幕的LCD 显示器，将所有的测量菜单、表格显示出来，同时所有的数据处理，直线拟合均有微处理器自动完成。考虑到本实验仪器的智能化，同学们难以直观看到或体会到仪器在制造、设计中的巧妙之处，请同学们在实验前仔细阅读下面的实验原理。三、实验原理1. 金属电子理论简介金属中具有大量自由电子，称为自由电子气，自由电子是简并的。简并的意义是：金属中具有一定的、分立的电子状态，状态参数可用电子的动量参数与自旋参数合起来表征。一个可能的电子状态最多具有一个电子，即电子状态可能被电子占据，也可能空着( 泡利不相容原理)。但是不同的分立电子状态可能具有相同的能量，即是说属同一能量状态的电
5、子占据数可能大于1 个，这就是简并。由固体量子理论的分析可知，服从费米一狄喇克分布的自由电子在能量状态上的分布密度为：31f ( E)dN4 3 (2m) 2 E 211（ 3.2.1 ）dEhexp( EEF ) / kT f(E)的意义是在单位体积中自由电子分布在能量为E附近单位能量区间内的数量。式中 h 为普朗克常数，m 为电子质量， EF 称为自由电子气的费米能级，它就是多粒子体系的化学势，其随温度稍有变化，EF (T 0k)0 k 的情形，这时体系中有一部分电子的能量超过费米能级，它们的数量随能量增加而指数减小。图3-2-1右半部分给出在金属与外 界真空之间 存在一势垒 E b，电子
6、若从金属中逸出 到达外界须至少具有能量 Eb 。 而在绝 对零度时电子逸出金属至 少需要从外 界得到能量 Eo= Eb -EF 。Eo 称为金属的 逸出功。表面势垒的存在 保证了金属 的电中性，所以图中右半 部分表示了 金属表层附近势垒的情况 。逸出功的 单位用电子伏特来表示，E0= e， 称 为逸出电位。一般地可以 用升温的图 3-2-1位能势垒图办 法使金属中一部分电子的 能量高于表 面势垒 E b，这样电子就可不断地逸出金属形成热电子发射。2. 热电子发射公式根据金属中自由电子体系能量分布密度函数即可导出热电子发射公式，这里只给出结果：I sAST 2exp(e/ kT )（）式中I s
7、热电子发射电流强度(A) ；S阴极有效发射面积(cm 2) ；T热阴极温度(K) ；e即Eo ，金属逸出功A与阴极材料有关的系数(电子伏特) ；此公式称为里查森杜西曼公式。如何用实验的方法测量e 呢 ?由上式易见只要能分别测量IsA 、S 和 T ，e可直接计算得到。但实验上对A 与 S 的直接测量是十分困难的，因此需要寻求一种方法，它能避开对A 、S 的测量。下面要介绍的里查森直线法就成功地做到了这一点。从里查森直线法出发，只要测量发射电流I s 及相应的温度，即可求出e。3. 里查森直线法将 (3.2.2) 式两边除以T 2。再分别取以10 为底的对数，得：lg I slg AS1( e
8、)lg AS 50401(3.2.3)T 22.303kTT从式可以看出，lgI s T 2与1 呈线性关系。这样如果测得一组温度及对应的发射 T电流数据(Ti ， I si )，即可作出直线lgI s T2 1/T 。由该直线的斜率k=5040 即可得出该金属的逸出电位 。这种求逸出功的方法就是里查森直线法，其优点是避开了难以测量的A、 S 因子 ( A ， S 只影响直线的截矩) ，由灯丝温度及发射电流通过作图求直线斜率确定逸出电位，这是数据处理的一种巧妙的方法。下面就讨论在技术上如何测量I s 及 T 。4. 发射电流的测量实验采用抽真空的直热式理想二极管，二极管的阴极灯丝由圆柱型的金属
9、钨丝做成二极管的阳极也相应地做成圆柱型，且与阴极同轴图3-2-2 分别是理想二极管的外形与测量线路阴极灯丝的加热电流I f ，由安培表测量；发射电流I s 由微安表测量。在二极管的阴极与阳极之间还要外加电压U a ，它形成的电场由阳极指向阴极。这个电场对于消除热电子在极间的积累、保证阴极电子连续不断地漂向阳极是必须的。然而在发射电流 I s的测量过程中，必须考虑到这个外加电压对阴极电子发射特性的影响。外加电压将影响表面势垒，从而影响电子发射特性。外加电压对电子发射特性的影响称为图 3-2-2二极管外形及测量线路图肖特基效应，肖特基指出，当外电场为 Ea 时，其发射电流：I sI s exp(e
10、3/ 2Ea / kT)(3.2.4)在 (3.2.4) 式中令Ea =O ，得 I sI s，即I s 为外加电场为零时的发射电流，它也就是里查森直线法中需要测量的阴极发射电流I s。 (3.2.4)式取以10 为底的对数得：lg I se3/ 2Ea(3.2.5)lg I s2.303kT考虑阴极与阳极为共轴圆柱体并在理想的情况下Ea U a / r1 ln( r2 / r1 )式中 r 1、 r 2 分别为阴极与阳极圆柱体的截面半径，U a 为外加电压。这样 (3.2.5) 式改写为：lg I slg I se3/ 2U a(3.2.6)2.303kTr1 ln(r2 / r1 )由上式
11、，对同一温度T，测量一组(U a ， I s)数据，作lg I s U a 的直线，直线的截距就是温度为T 时阴极零场发射电流的对数。这种处理数据的方法称为外延法。5. 阴极温度的测量在热电子发射公式的指数项中包括有阴极温度T ，温度对发射电流的影响很大，因此准确地测量灯丝的温度对保证实验的精度十分重要。测量阴极温度方法很多，有用光测高温计测量灯丝温度的方法，其设计思想来源于灯丝温度与加热灯丝的电流有一一对应的关系。也有本实验所采取的方法，即通过测量阴极加热电流来确定阴极温度的。此方法是根据前人已精确测量的“对于纯钨丝，一定的加热电流与阴极温度的关系曲线”来确定。应该指出的是，加热电流与阴极温度的关系并不是一成不变的，它与阴极材料的纯度、管子的结构情况等有关，此方法的准确度不够高。6. 理想二极管为了测定钨的逸出功，须将钨作为阴极材料做成所谓理想二极管理想二极管的结构如图3-2-3 。所谓理想是指把电极设计成能够严格进行分析的几何形状。由于钨很容易抽成圆丝状，故将阴极与阳极设计成同轴圆柱形。“理想”的另一含义是把待测的阴极发射面积限制在温度均匀的一定长度内和近似地能把电极看成是无限长的，即无边缘效应的理想状态。为了避免阴极的冷端效应( 两端温度
