近代物理实验一物理实验教学中心 实验04金属逸出功的测量 引吉 金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能 量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子逸出功。 研究电子逸出是一项很有意义的工作，很多电子器件都与电子发射有关，如电视机的 电子枪，它的发射效果会影响电视机的质量，因此研究这种材料的物理性质，对提高材料的 性能是十分重要的。 实验目的 1用里查逊Richardson)直线法测定钨的逸出功 2学习图表法数据处理。 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所示的真空二极管阴极（用被测金属钨丝做成）通电 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。通过对阴极材料物理 图1电子逸出功测量图 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。 在常温下金属表面与外界（真空）之间存在一个势垒,所以电子要从金属中逸出必须 至少具有能量W,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 Wo=W。-Wr=e W称为金属电子的逸出功，其常用单位为电子伏特(V),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W,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 快定性作用
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 实验 04 金属逸出功的测量 引 言 金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能 量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子逸出功。 研究电子逸出是一项很有意义的工作，很多电子器件都与电子发射有关，如电视机的 电子枪，它的发射效果会影响电视机的质量，因此研究这种材料的物理性质，对提高材料的 性能是十分重要的。 实验目的 1 用里查逊(Richardson)直线法测定钨的逸出功 2 学习图表法数据处理。 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 所示的真空二极管阴极(用被测金属钨丝做成)通电 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。 图 1 电子逸出功测量图 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。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。 在常温下金属表面与外界(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 0 fa eWWW W0 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
近代物理实验一物理实验教学中心 热电子发射公式 根据费米一狄拉克能量分布公式，可以导出热电子发射的里查逊一杜什曼 (Richar-dson-Dushman)公式： 1=AST2e KT (1) 式中【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4/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× 10-23/K). 原则上只要测定1，A,S和T,就可以根据式(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。 测量原理与方法 1查逊直线法 应用里查逊直线法，将式(1)两边除以T2,再取对数得到 1og7log4-2307=log45-504×100 (2) 从式2可以看出，og子与1T成线性关系。如果以1g作纵坐标，以1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中，从而求出电子的逸出功©中.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 出中的值，A和S的影响只是使1og 一一1T直线平行移动.这种实验方法在实验、科 T 研和生产上都有广泛应用 2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la 与Ea有如下的关系： 0.439yEa la =Ixe T (3) 式中，a和1分别是加速电场为Ea和零时的发射电流.对式(3)取对数得 g,=e1+0同 (4)
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 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： kT e eASTI 2 （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 22 CcmA ；S 为阴极的有效发射面积，单位为 ；k 为玻尔兹曼常数(k＝1.38× J/K)。 2 cm 23 10 原则上只要测定 I，A，S 和 T，就可以根据式(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。 测量原理与方法 1 查逊直线法 应用里查逊直线法，将式(1)两边除以 2 T ，再取对数得到 T AS KT e AS T I 1 1004.5log 30.2 log log 3 2 （2） 从式(2)可以看出, 2 log T I 与 1/T 成线性关系．如果以 2 log T I 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 2 log T I ——1/T 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． 2 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： T Ea a eII 439.0 （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(3)取对数得 a Ea T II 30.2 439.0 loglog （4）
近代物理实验一物理实验教学中心 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 E。sU。 (5) 方m2 式中，n和2分别为阴极和阳极的半径，U,为加速电压.将式(5)代入式(4)得 1og,=log1+04391 (6) 2.30T厂 由式(6)可见，在一定的温度T和管子结构下， logla和VUa成线性关系.如果以logIa为纵坐标， 以，√厄。为横坐标作图，此直线的延长线与纵坐标的交 点为0gI.由此即可求出在一定温度下，加速电场为 零时的发射电流（如图2所示）。 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 当测定了阴极温度工， 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©中（或逸出电位Φ）来 了. 图2发射电流1 实验内容和步骤 本实验仪器比较简单、直观，依据图1 1将仪器面板上的三个电位器逆时针旋到底， 2将主机背板的插孔和理想二极管测试台的插孔用红黑连接线按编号一一对应接好（仔细 检查，请勿接错)。 3接通主机电源开关，开关指示灯和数字表发光 4调节相应的灯丝电流和板压。 5从数字表上读出灯丝电流、板压和板流，进行数据处理。 6实验结束后，关闭电源，将仪器面板上的三个电位器逆时针旋到底。 数据处理 1按表一对每一参考灯丝电流在阳极上加25V,36V,49V,64V,.,144V诸电压 各测出一组阳极电流，记录数据于表一中，并换算至表二
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 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 1 2 1 r r Inr U E a a （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 a Ua r r Inr T II 1 2 2 1 30.2 439.0 loglog （6） 由式(6)可见，在一定的温度 T 和管子结构下， log I a 和 Ua 成线性关系．如果以 为纵坐标， 以 a log I Ua 为横坐标作图，此直线的延长线与纵坐标的交 点为log ．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)。 I 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 了。 图 2 发射电流 I 实验内容和步骤 本实验仪器比较简单、直观，依据图 1 1 将仪器面板上的三个电位器逆时针旋到底。 2 将主机背板的插孔和理想二极管测试台的插孔用红黑连接线按编号一一对应接好（仔细 检查，请勿接错）。 3 接通主机电源开关，开关指示灯和数字表发光。 4 调节相应的灯丝电流和板压。 5 从数字表上读出灯丝电流、板压和板流，进行数据处理。 6 实验结束后，关闭电源，将仪器面板上的三个电位器逆时针旋到底。 数据处理 1 按表一对每一参考灯丝电流在阳极上加 25V，36V，49V，64V，.，144V 诸电压， 各测出一组阳极电流，记录数据于表一中，并换算至表二
近代物理实验一物理实验教学中心 表一在不同灯丝电流和阳极电压时测得的阳极电流值 V(v) 36 496481 100 121 144 I(A) 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 表二表一数据的换算值 7.0 80 9.0 10.0 11.012.0 180 188 196 204 212 2根据表二数据，作出l0gI。一√0。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1， 3根据表三数，作出吧 -一1/T图线，从直线斜率求出钨的逸出功ε中（或逸出电 位D)
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 表一 在不同灯丝电流和阳极电压时测得的阳极电流值 25 36 49 64 81 100 121 144 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 表二 表一数据的换算值 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 180 188 196 204 212 2 根据表二数据，作出 —a log I Ua 图线，求出截距 ，即可得到在不同灯丝温度 时的零场热电子发射电流 I． log I 3 根据表三数据，作出 2 log T I ——1/T 图线，从直线斜率求出钨的逸出功 eΦ(或逸出电 位Φ)
近代物理实验一物理实验教学中心 表三在不同灯丝温度时的零场电流及其换算值 T(10K) 180 188 196 204 212 logI le号 7x10- 仪器参数 在不同灯丝电流时灯丝的温度值对照表 灯丝电流I(A) 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 灯丝温度T(103K) 1.80 1.88 1.96 2.04 2.12 思考题 1影响本实验结果的误差有哪些因素 2什么是逸出功？改变阴极温度是否改变了阴极材料的逸出功？ 3里查逊直线法有何优点？ 4灯丝电流为何要保持稳定？测量中，每次改变灯丝电流值时为何要预热几分钟才测量？ 注意事项 由于理想二极管工艺制作上的差异，本仪器内装有理想二极管限流保护电路，请不要将 灯丝电流超过0.80A
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 表三 在不同灯丝温度时的零场电流及其换算值 T(10K) 180 188 196 204 212 log I T I log )10( 1 4 T 仪器参数 在不同灯丝电流时灯丝的温度值对照表 灯丝电流 Ir(A) 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 灯丝温度 T（ K） 3 10 1.80 1.88 1.96 2.04 2.12 思考题 1 影响本实验结果的误差有哪些因素？ 2 什么是逸出功？改变阴极温度是否改变了阴极材料的逸出功？ 3 里查逊直线法有何优点？ 4 灯丝电流为何要保持稳定？测量中，每次改变灯丝电流值时为何要预热几分钟才测量？ 注意事项 由于理想二极管工艺制作上的差异，本仪器内装有理想二极管限流保护电路，请不要将 灯丝电流超过 0.80A