金属逸出功的测量

1、金属电子逸出功的测量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。实验目的用里查逊(Richardson)直线法测定钨的逸出功；了解热电子发射的基本规律；学习避开某些不易测常数而直接得到结果的实验方法；学习测定电子荷质比的方法；测定电子荷质比。实验仪器wm型金属电子逸出功测定仪，理想二极管，螺线管、导线等实验原理电子从

2、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电子逸出功。图1热电子发射电路图 图2二极管的电子电流曲线如图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。电流的大小主要与灯丝温度及金属逸出功的大小有关，灯丝温度 越高或者金属逸出功越小，电流就越大。二极管的电子电流曲线如图2所示。研究热电子发射的目的之一，是选择合适的阴极材

3、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。热电子发射与发射电子的材料的温度有关，因为金属中的自由电子必须克服在金属表面 附近的电场阻力做功才能逸出金属表面，这个功叫逸出功。不同金属材料逸出功的值是不同 的。此外，热电子发射还与阴极材料有关。因为各种金属材料具有不同的表面逸出功，因而 在阴极温度相同时，若材料不同，其发射的电子数也是不等的。在通常温度下由于金属表面和外界之间存在着势垒，所以从能量角度看，金属中的电子 是在一个势阱中运动，势阱的深度为EB，在

4、热力学温度为零度时，电子所具有的最大能量为Ef , Ef称为费密能级，这时电子逸出金属表面至少需要从外界得到的能量为E = E - E = e 中E0称为金属电子的逸出功，也称功函数，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最小能量。e是电子电荷， 平称为逸出电位。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Eb，使电子能够从金属中发射出来.不同的金属具有不同的逸出功。 因此，逸出功的大小对热电子发射的强弱具有决定性作用。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遵循的

5、里查逊一杜什曼 (Richardson-Dushman)公式：e QI = AST 2 exp ( - )(1)在上式中I是热电子发射的电流强度(单位：A)； A是和阴极表面化学纯度有关的系数(单位：Acm -2K -2 ); S是阴极的有效发射面积(单位：cm 2 ); T是热阴极的绝对温度(单位：K ); k 是玻尔兹曼常数(k = 1.38 x 10 -23 J . K -1)。因此，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。里查逊直线法将式(1)两边除以

6、T 2再取对数得到 TOC o 1-5 h z lg = lg AS = lg AS - 5.04 x 10 3 . -(2)T 22.30 kTT从式(2)可以看出，lg与1成线性关系。如果以lg 作纵坐标，以1为横坐标作图， T 2 TT 2T从所得直线的斜率即可求出电子的逸出电位甲，从而求出电子的逸出功e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就可以得出甲的值，A和S的影响只是使lg八1的关系曲线进行平行移动。类似的这种处理方法在实T2 T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

7、在阴极和阳极间外加一个加速 电场E。当灯丝阴极通以加热电流If时，若灯丝已发射热电子，则电子在加速电场下趋向 阳极，形成阳极电流I。然而由于E的存在会使阴极表面的势垒Eb降低，因而逸出功减小，发射电流增大，这一现象称为肖特基效应。可以证明，在阴极表面加速电场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E。当灯丝阴极通以加热电流If时，若灯丝已发射热电子，则电子在加速电场下趋向 阳极，形成阳极电流I。然而由于E的存在会使阴极表面的势垒Eb降低，因而逸出功减小，发射电流增大，这一现象称为肖特基效应。可以证明，在阴极表面加速电场E的作用

8、下，阴极发射电流I与E有如下的关系0.439 (EI = I exp()(3)式中，I和10分别是加速电场为E和0时的发射电流.对式(3)取对数得a如果把阴极和阳极做成共轴圆柱形，0.439 -一 ig I = ig 10 + 27%*.并忽略接触电位差和其它影响，则加速电场可表示为(4)E =.(5)r in 21 ri式中，ri和r2分别为阴极和阳极的半径，匕为加速电压，将式(5)代入式(4)可得:ig I a = Ig 100.4391.+V2.30 T r.(6)图3外延求零场电流： 1 r 1由式(6)可见，在一定的温度T和管子结构下，ig I a和匕成线性关系.如果以ig I.为纵

9、坐标，以1.V为横坐标作图，此直线的延长线与纵坐标的交点，即截距为lg 10。由此即可 求出在一定温度下，加速电场为零时的发射电流10 （如图3所示）.因此，要测定金属材料的逸出功，首先应该把被测材料做成二极管的阴极。当测定了阴 极温度T，阳极电压k和发射电流I后，通过数据处理，得到零场电流I，然后就可以求 出材料的逸出功e平（或逸出电位中）了。实验内容熟悉仪器装置，根据仪器主机的电源输出插孔与wm金属电子逸出功测定仪实验装置 的电源输入插孔一一对应，并保证接触良好。将仪器面板上的电位器旋钮逆时针旋到底，接通电源预热10分钟。调节理想二极管的灯丝电流，使灯丝电流显示0.550A。调节理想二极管

10、的阳极电压，使阳极电压分别为25.0V、36.0V、49.0V、64.0V、81.0V、100.0V、121.0V和144.0V电压，分别测出对应的阳极电流I，记录相应的数据。改变理想二极管的灯丝电流，每次增加0.050A，重复上述测量，直至0.750A。每改变一 次灯丝电流都要预热5分钟。将测得的数据填入自拟的表格中，进行数据处理。数据记录及处理将在不同灯丝电流和阳极电压时测得的阳极电流值I、相应的阳极电压k和灯丝电流If 等值进行换算，作出在不同温度下的lg七、如 曲线，求出截距lg 10。即可得到在不同灯 丝温度时的零场热电子发射电流I。根据在不同温度下得到的10，进行适当的数据运算和变

11、换，作出ig Tr1曲线。并根 据曲线求得金属钨的电子逸出功e甲。将测量结果与金属钨的电子逸出功的公认值4.54ek比较，并求百分差。参考数据在不同灯丝电流时灯丝的温度值灯丝电流If （ A ）0.550.600.650.700.750.80灯丝温度T （I。3K ）1.801.881.962.042.122.20附：扩展实验 测定电子荷质比，并与公认值三=侦6 x 1011 C *厂】比较m(1)磁控管法原理简介：测量电子荷质比的方法有很多，这里主要是利用电子在电磁场中的运动来测量。 将理想二极管的阴极通以电流加热，并在阳极外加以正电压，在连接这两个电极的外电路中 将有电流通过。将理想二极管

12、置于磁场中，二极管中径向运动的电子将受到洛仑兹力的作用 而作曲线运动。当磁场强度达到一定值时，作曲线运动的径向电子流将不再能达到阳极而“断 流”。只要实验中测定出一定电压V时，使阳极电流截止时的临界磁场B，就可以求出电 子的荷质比e / m 。这种测定电子荷质比的方法称为磁控管法。理论公式：-=一一 -切，m (r2 r2) B 2 r2 B 221 c 2 c式中的r2和q分别为阳极和阴极的半径，B为理想二极管阳极电流“断流”时螺线管的临界磁感应强度，它的大小为：B = R 0nI。(式中I为螺线管的励磁电流)实验要求：任意选定五个不同的电压，各测一次I。数据处理要求：计算电子的荷质比，并与

13、公认值比较。(2)空间电荷效应法当带电粒子束电荷密度较大时会产生空间电荷效应。以二极管为例，电子受阳极电位的 加速自阴极发射出来以后，电子电荷会影响阴极与阳极间的电位分布。如果忽略电子的初速， 最终稳定的电位分布将使阴极面上电场强度为零。在这种情况下，从阴极支取的电流称为空 间电荷限制电流。求解泊松方程，可得在空间电荷限制条件下，共轴圆柱形二极管阴极电流 强度为：I = aL为阳极阴极间的距离，r为二极管的半径。L为阳极阴极间的距离，r为二极管的半径。实验要求：完成下表的数据测量Va (V)1.002.003.004.005.006.007.0033Va2 (V2)1.002.835.208.0011.2014.7018.50I a (R A)数据处理要求：按上表数据作出的Ia Va 2图线。从图求得直线斜率K后，计算出电子的 荷质比，并与公认值比较。淤 桌面上的励磁电源和线圈是在磁控管法测定电子荷质比实验中用的，测电子逸出功时无 需使用。注意事项灯丝电流不超过0.80安。实验结束后，将仪器面板上的电位器逆时针旋转到底再关闭仪器的电源。附录理想二极管本实验是测定钨的逸出功，所以把钨