1、大 学 物 理 实 验 报 告实验目的：1. 了解有关热电子发射的基本规律。2. 学习测定金属钨逸出功的理查逊直线法。 3. 进一步学习数据处理的方法。实验仪器：WF-2 型金属电子逸出功测定仪和理想（标准）二极管。逸出功测定仪主要包括二极管灯丝温度测量系统、专用电源、显示测量电压电流的数字电表。实验内容与基本原理：1. 热电子发射测量电子逸出功的基本原理真空二极管的阴极（用被测金属钨丝做成）通以电流加热以提高阴极温度，温度的升高改变了金属钨丝内电子的能量分布，使动能大于 的电子增多，使动能大于 的电子数达到可观测的大小，FEbE使从金属表面发射出来的热电子达到可检测的数目，因此在阳极未加正电
2、压（图 3.11-4 中 ）时，连接两个电极的外电路中A0aU也将会检测到有热发射电流 （称为零场电流）通过。此零场电流I强度 由理查逊-热西曼公式确定，有I(3.11.1)kTeSxp2它就是热电子发射测量电子逸出功的基本原理公式。式中 是和阴极表面化学纯度有关的系A数（单位为 A/(m2K2)） ， 为阴极的有效发射面积（单位为 m2） ， 为发射热电子的阴极的绝T对温度（单位为 K） ， 为玻尔兹曼常数。此式显示出电子逸出功（ ）对热电子发射的强弱e有着决定性作用。将 3.11.1 式两边除以 ,再取对数，得2T（3.11.2）TASkTeASI 104.5lg30.2lgl 32此式显
3、示 与 成线性关系。如以 为纵坐标， 为横坐标作图，由直线斜率即可求2lgTI1 1出电子的逸出电势 和电子逸出功 。这样的数学处理方法叫理查逊直线法。e2. 零场电流 的测量I当热电子不断从阴极射出飞向阳极过程中形成空间电荷，空间电荷的电场阻碍后续的电子飞往阳极，这就严重地影响零场电流的测量。为了克服空间电荷电场的影响，使电子一旦逸出就能迅速飞往阳极，不得不在阳极和阴极之间加一个加速场 。但是， 的存在又会产aEa生肖脱基效应，使阴极表面的势垒 降低，电子逸出功减小，发射电流变大，因而测量得到bE的电流是在加速电场 的作用下阴极表面发射电流 ,而不是零场电流 。可以证明零场电流a aIIAf
4、UaaIfIK图 3.11-4 热电子发射电路图大 学 物 理 实 验 报 告与 的关系为 Ia 0.439expaaEIT对上式取对数，曲线取直，有（3.11.3）Iaa30.249lg通常把阴极和阳极做成共轴圆柱形，忽略接触电位差和其它影响，则加速电场可表示为，其中 和 分别为阴极和阳极的半径， 为阳极电压（图 3.11-4） 。把 代121ln(/)aaUEr1r2 aUaE入上式得（3.11.4）1210.439lg2ln(/)a aITr此式是测量零级电流的基本公式。对于一定尺寸的二极管，当阴极的温度 一定时， 和TaIlg成线性关系。aU如果以 为纵坐Ilg标、以 为横坐a标作图，
5、这些直线的延长线与纵坐标的交点为 ，如lgI图 3.11-5 所示。求反对数，可求出在一定温度下的零场电流 。I测量数据与数据处理：1. 按照图 3.11-6 连接好实验电路，接通电源，预热十分钟。2. 调节理想二极管灯丝电流 在 0.55-0.75A 之间，每隔 0.05A 进行一次测量。如果阳极电fI流 偏小或偏大，也可适当增加或降低灯丝电流 。对应每一灯丝电流，在阳极上加上aI fI25V，36V，49V，64V，144V 电压，各测出一组阳极电流 。记录数据于表 3.11.2 中，aI并换算至表3.11.3。图 3.11-6 实验电路图图 3.11-5 外推法求零场电流0 5 101T
6、234T54.ilga aUlgI大 学 物 理 实 验 报 告3. 根据表 3.11.3 中的数据，作出图线。lgaIU:求出截距 ，即Il可得在不同阴极温度时的零场热电子发射电流 ，并换I算至表 3.11.4。4. 根据表 3.11.4，做出 图21lgIT:线。由直线斜率求电子逸出电势，计算出逸出功 ，e并与公认值 4.54 eV 比较，计算相对误差。测量结果及实验结论直线斜率：m ；逸出功： 4.74 eV；逸出功公认值： 4.54 eV；41039.2ee相对误差 E=4.4%25 36 49 64 81 100 121 1440.55 5 5 5 5 5 5 5 60.60 20
7、20 21 21 21 22 22 230.65 69 70 72 73 74 75 76 780.70 210 213 217 220 224 227 232 2350.75 558 569 580 591 601 613 625 637(V)aU(10-6A)aI(A)f表 3.11.2 在不同阳极加速电压和灯丝温度下的阳极电流5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.01.80 -5.31 -5.31 -5.31 -5.31 -5.31 -5.31 -5.31 -5.231.88 -4.70 -4.70 -4.68 -4.68 -4.68 -4.66 -4.68
8、-4.641.96 -4.16 -4.155 -4.153 -4.137 -4.131 -4.125 -4.119 -4.1082.04 -3.678 -3.672 -3.664 -3.658 -3.650 -3.644 -3.635 -3.6292.12 -3.254 -3.245 -3.237 -3.229 -3.222 -3.213 -3.205 -3.196表 3.11.3 数据的换算值 (V)aU(103K)TlgI表 3.11.4 表21lgIT(103K)T1.80 1.88 1.96 2.04 2.12Ilg-5.36 -4.74 -4.19 -3.71 -3.292-11.8
9、6 -11.29 -10.77 -10.33 -9.95(10-1T3)0.55 0.53 0.51 0.49 0.47大 学 物 理 实 验 报 告分析讨论：从测量结果来看，本实验的精度较高。也可以将灯丝电流调节到 0.50A 和 0.80A 分别测量在不同的阳极电压下回路中的阳极电流，这样可以进一步提高实验的测量精度。这种较好的实验测量原理和数据处理方法可以用来测量其它金属材料的逸出功，不仅仅局限于钨。1.01.05.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0ACRVEAC大 学 物 理 实 验 报 告大 学 物 理 实 验 报 告大 学 物 理 实 验 报 告大 学 物 理 实 验 报 告大 学 物 理 实 验 报 告大 学 物 理 实 验 报 告
