實(shí)驗(yàn)02 金屬逸出功的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)02金屬逸出功的測(cè)量金屬中存在大量的自由電子，但電子在金屬內(nèi)部所具有的能量低于在外部所具有的能量，因而電子逸出金屬時(shí)需要給電子提供一定的能量，這份能量稱為電子逸出功。研究電子逸出是一項(xiàng)很有意義的工作，很多電子器件都與電子發(fā)射有關(guān)，如電視機(jī)的電子槍，它的發(fā)射效果會(huì)影響電視機(jī)的質(zhì)量，因此研究這種材料的物理性質(zhì)，對(duì)提高材料的性能是十分重要的。一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?用里查遜(Richardson)直線法測(cè)定鎢的逸出功2學(xué)習(xí)圖表法數(shù)據(jù)處理。二實(shí)驗(yàn)原理圖1圖1電子逸出功測(cè)量圖圖1所示的真空二極管陰極(用被測(cè)金屬鎢絲做成)通電流加熱，并在陽(yáng)極上加以正電壓，在連接這二個(gè)電極的外電路中將有電流通過(guò)．這種電子從加熱金屬線發(fā)射出來(lái)的現(xiàn)象，稱為熱電子發(fā)射。研究熱電子發(fā)射的目的之一，是選擇合適的陰極材料。誠(chéng)然，可以在相同加熱溫度下測(cè)量不同陽(yáng)極材料的二極管的飽和電流，然后相互比較，加以選擇。通過(guò)對(duì)陰極材料物理性質(zhì)的研究來(lái)掌握其熱電子發(fā)射的性能，是帶有根本性的工作，因而更為重要。在常溫下金屬表面與外界(真空)之間存在一個(gè)勢(shì)壘，所以電子要從金屬中逸出必須至少具有能量，在絕對(duì)零度時(shí)電子逸出金屬至少需要從外界得到的能量為稱為金屬電子的逸出功，其常用單位為電子伏特(eV)，它表征要使處于絕對(duì)零度下的金屬中具有最大能量的電子逸出金屬表面所需要給予的能量．Φ稱為逸出電位，其數(shù)值等于以電子伏特表示的電子逸出功．熱電子發(fā)射就是用提高陰極溫度的辦法以改變電子的能量分布，使其中一部分電子的能量大于，使電子能夠從金屬中發(fā)射出來(lái)．因此，逸出功的大小對(duì)熱電子發(fā)射的強(qiáng)弱具有決定性作用．熱電子發(fā)射公式根據(jù)費(fèi)米－狄拉克能量分布公式，可以導(dǎo)出熱電子發(fā)射的里查遜—杜什曼(Richar-dson-Dushman)公式：（1）式中I為熱電子發(fā)射的電流強(qiáng)度，單位為A；A為和陰極表面化學(xué)純度有關(guān)的系數(shù)，單位為；S為陰極的有效發(fā)射面積，單位為；k為玻爾茲曼常數(shù)(k＝1.38×J/K)．原則上只要測(cè)定I，A，S和T，就可以根據(jù)式(1)計(jì)算出陰極材料的逸出功，但困難在于A和S這兩個(gè)量是難以直接測(cè)定的，所以在實(shí)際測(cè)量中常用下述的里查遜直線法，以設(shè)法避開A和S的測(cè)量．三測(cè)量原理與方法1查遜直線法應(yīng)用里查遜直線法，將式(1)兩邊除以，再取對(duì)數(shù)得到（2）從式(2)可以看出,與1/T成線性關(guān)系．如果以作縱坐標(biāo)，以1/T為橫坐標(biāo)作圖，從所得直線的斜率即可求出電子的逸出電位Φ，從而求出電子的逸出功eΦ．這個(gè)方法叫做里查遜直線法，它的好處是可以不必求出A和S的具體數(shù)值，直接從I和T就可以得出Φ的值，A和S的影響只是使——1/T直線平行移動(dòng)．這種實(shí)驗(yàn)方法在實(shí)驗(yàn)、科研和生產(chǎn)上都有廣泛應(yīng)用．2從加速場(chǎng)外延求零場(chǎng)電流為了維持陰極發(fā)射的熱電子能連續(xù)不斷地飛向陽(yáng)極，必須在陰極和陽(yáng)極間外加一個(gè)加速電場(chǎng)Ea．然而由于Ea的存在使陰極表面的勢(shì)壘Eb降低，因而逸出功減小，發(fā)射電流增大．這一現(xiàn)象稱為肖脫基(Scholtky)效應(yīng)．可以證明，在加速電場(chǎng)Ea的作用下，陰極發(fā)射電流Ia與Ea有如下的關(guān)系：（3）式中，Ia和I分別是加速電場(chǎng)為Ea和零時(shí)的發(fā)射電流．對(duì)式(3)取對(duì)數(shù)得（4）如果把陰極和陽(yáng)極做成共軸圓柱形，并忽略接觸電位差和其它影響，則加速電場(chǎng)可表示為（5）式中，r1和r2分別為陰極和陽(yáng)極的半徑，Ua為加速電壓．將式(5)代入式(4)得（6）圖2發(fā)射電流I由式(6)可見(jiàn)，在一定的溫度T和管子結(jié)構(gòu)下，和成線性關(guān)系．如果以為縱坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)作圖，此直線的延長(zhǎng)線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為．由此即可求出在一定溫度下，加速電場(chǎng)為零時(shí)的發(fā)射電流I(如圖2所示).圖2發(fā)射電流I綜上所述，要測(cè)定金屬材料的逸出功，首先應(yīng)該把被測(cè)材料做成二級(jí)管的陰極．當(dāng)測(cè)定了陰極溫度T，陽(yáng)極電壓Ua和發(fā)射電流Ia后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到零場(chǎng)電流I，然后即可求出逸出功eΦ(或逸出電位Φ)來(lái)了．四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作本實(shí)驗(yàn)儀器比較簡(jiǎn)單、直觀，依據(jù)圖11將儀器面板上的三個(gè)電位器逆時(shí)針旋到底。2將主機(jī)背板的插孔和理想二極管測(cè)試臺(tái)的插孔用紅黑連接線按編號(hào)一一對(duì)應(yīng)接好（仔細(xì)檢查，請(qǐng)勿接錯(cuò)）。3接通主機(jī)電源開關(guān)，開關(guān)指示燈和數(shù)字表發(fā)光。4調(diào)節(jié)相應(yīng)的燈絲電流和板壓。5從數(shù)字表上讀出燈絲電流、板壓和板流，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉電源，將儀器面板上的三個(gè)電位器逆時(shí)針旋到底。五數(shù)據(jù)處理1按表一對(duì)每一參考燈絲電流在陽(yáng)極上加25V，36V，49V，64V，……，144V諸電壓，各測(cè)出一組陽(yáng)極電流，記錄數(shù)據(jù)于表一中，并換算至表二。表一在不同燈絲電流和陽(yáng)極電壓時(shí)測(cè)得的陽(yáng)極電流值25364964811001211440.550.600.650.700.75表二表一數(shù)據(jù)的換算值5.06.07.08.09.010.011.012.01801881962042122根據(jù)表二數(shù)據(jù)，作出—圖線，求出截距，即可得到在不同燈絲溫度時(shí)的零場(chǎng)熱電子發(fā)射電流I．3根據(jù)表三數(shù)據(jù)，作出——1/T圖線，從直線斜率求出鎢的逸出功eΦ(或逸出電位Φ)表三