逸出功的测定.docx
- 文档编号:26475521
- 上传时间:2023-06-19
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:434.50KB
逸出功的测定.docx
《逸出功的测定.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《逸出功的测定.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
逸出功的测定
实验1-4逸出功测定
同组者:
关希望指导老师:
周丽霞
1.引言
电子克服原子核的束缚,从材料表面逸出所需的最小能量,称为逸出功。
本实验采用二极管通过测量电子的能量来确定电子的逸出功。
实验目的:
了解热电子发射规律;掌握逸出功的测量方法;学习一种数据处理方法。
2.实验原理
若真空二极管的阴极(用被测金属钨做成)通以电流加热,并在阳极上加正电压,则在连结两个电极的外电路中就有电流通过,如图1-4-1所示。
这种电子从加热金属中发射出来的现象,称热电子发射。
研究热电子发射的目的之一,就是要选择合适的阴极材料。
逸出功是金属的电子发射的基本物理量。
1、电子的逸出功根据固体物理学中金属电子理论,金属中传导电子的能
式中WF称费米能级。
在绝对零度时,电子所具有的最大动能为
能量,并以指数规律衰减。
由于金属表面与外界
WF。
当温度升高时,其中少数电子具有比WF高的
(真空)之间存在势垒Wb。
电子要从金属逸出,必须至少有能量Wb。
在绝对零度时,电子逸出金属表面,至少需要得到能量
1-4-2)
W0=Wb-WF=e
W0=e称为金属电子的逸出功,常用单位为电子伏特(eV)。
它表征要使处于绝对零度下的具有最
大能量的电子逸出金属表面所需给予的能量。
e为电子电荷,称逸出电位。
可见,热电子发射,就是利用提高阴极温度的办法,改变电子的能量分布,使其中一部分电子的能量大于Wb,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的作用。
2、热电子发射公式
根据费米-狄拉克能量分布公式(1-4-1),可以推导出热电子发射公式,称里查逊-杜什曼
(Richardson-Dushman)公式。
eΦ
0=AST2ekT(1-4-3)
式中:
I0-热电子发射的电流强度(A)S-阴极金属的有效发射面积(cm2)k-玻尔兹曼常数T-绝对
温度e-金属的逸出功A-与阴极化学纯度有关的系数
4、发射电流I0的测量
(1-4-3)式中的I0是不存在外电场时的阴极热发射电流。
无外场时,电子不断地从阴极发射出来,在飞向阳极的途中,必然形成空间电荷,空间电荷在阴极附近形成的电场,正好阻止热电子的发射,这就严重地影响发射电流的测量。
为了消除空间电荷的影响,在阳极加一正电压,于是阳极和阴极
之间形成一加速电场Ea,使电子加速飞向阳极。
然而由于Ea的存在,使阴极发射电子得到助力,
发射电流较无电场时大。
这一现象称肖特基(Schottky)效应。
(1-4-5)式中Ia和I0分别是加速电场为Ea和零时的阴极发射电流。
对(1-4-5)式取对数,则
考虑到阴极和阳极共轴,且是圆柱形,并忽略接触电势差和其它影响,则加速电场可表示为
(1-4-7)
Ua
r2
r1ln
r1
式中r1和r2分别为阴极和阳极的半径;Ua为阳极电压。
将(1-4-7)式代入(1-4-6)式,得到
c、微安表(G)用来测量阴极发射电流Ia
d、分流器:
由于测量中Ia的变化范围较大,在微安表上并联一个分流器,用来扩大量程。
分流器的刻度为1,0.5,0.1,0.05,⋯⋯等,表示流过微安表的电流为总电流的若干分之一,而被测的总电流为微安表示值的1/0.5,1/0.1,⋯⋯倍。
2.实验内容
a、接好线路,经检查无误后,接通电源予热10分钟。
b、取不同的灯丝电流If(即对应于不同的温度T),从0.50A开始,每隔0.05A测一次。
对每一电流If,测阳极电压为20,30,40,⋯⋯,120伏时的电流Ia。
注意,If不能超过0.80A,以延长二极管寿命。
每改变一次电流值,要恒温5发钟,使阴极达到
热平衡。
c、用单对数坐标纸作lgIa-Ua直线,求出截距1gI0,即求出不同电流If下的I0,查出对应的温度T。
e、与公认值时e=4.54eV比较,作误差分析。
4.结果与讨论
1、取不同的灯丝电流If(即对应于不同的温度T),从0.50A开始,每隔0.05A测一次。
对每一电流If,测阳极电压为20,30,40,⋯⋯,120伏时的电流Ia。
表1不同阳极电压不同灯丝电流下的阳极发射电流Ia的数据测量表
Ia
/uA
U/V
/AIf
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
20
1.4
6.4
25.6
79.2
228
672
30
1.4
6.6
26.1
81
231
682
40
1.4
6.7
26.6
82.4
236
702
50
1.5
6.9
27.6
83.6
240
710
60
1.5
7
27.3
84.2
242
720
70
1.5
7
27.6
85.2
243
724
80
1.5
7
27.8
85.8
244
730
90
1.5
7.1
28
86.2
246
734
100
1.5
7.1
28.2
87
248
740
110
1.6
7.2
28.3
87.2
251
746
120
1.6
7.2
28.5
88
252
750
2、用单对数坐标纸作lgIa-Ua直线,求出截距1gI0,即求出不同电流If下的I0,查出对应的温度T。
表2不同阳极电压不同灯丝电流下的阳极发射电流Ia的对数lgIa的数据处理表
lgIaIf/A
Ua/V
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
4.47
0.146
0.806
1.408
1.899
2.358
2.827
5.48
0.146
0.820
1.417
1.908
2.364
2.834
6.32
0.146
0.826
1.425
1.916
2.373
2.846
7.07
0.176
0.839
1.441
1.922
2.380
2.851
7.75
0.176
0.845
1.436
1.925
2.384
2.857
8.37
0.176
0.845
1.441
1.930
2.386
2.860
8.94
0.176
0.845
1.444
1.933
2.387
2.863
9.49
0.176
0.851
1.447
1.936
2.391
2.866
10.00
0.176
0.851
1.450
1.940
2.394
2.869
10.49
0.204
0.857
1.452
1.941
2.400
2.873
10.95
0.204
0.857
1.455
1.944
2.401
2.875
根据表一中的实验数据可以计算出lgIa和Ua的值,其数据记录在表二中,由于加热电流与
温度的关系已测定,所以不同的灯丝电流If下的灯丝电压可以从表1-4-1读出,从而可以做出lgIa
-Ua直线图。
图1lgIa-Ua折线图
将所得的图1中的6条折线进行一次直线拟合,得到6条拟合直线,即
I1
图3lg02-折线图与拟合直线图
T2T
IeΦ3Φ
由里查逊直线法可知,lg02=lgAS-=lgAS-5.04103,所以只要知道直
T22.30kTT线斜率的值,就可以求出逸出功。
利用gnuplot拟合直线,从拟合直线的输出参数可以写出拟合公式:
I01
lg02=-22868.56188+6.95337
T2T
3
所以,-22868.561885.04103
4.5374V
相对误差E
5%,在误差允许的范围内,所以本次逸出功的测定实验成功。
5.思考题
1、逸出电位与激发电位、电离电位和光电效应实验中的遏止电位有什么区别?
逸出电位是绝对零度下能量最大的电子溢出金属表面所需给予的能量;激发电位指通过碰撞的方式使原子从低能级跃迁到高能级所需的最小加速电压;电离电位指通过碰撞方式使电子从原子电离所需加给电子的最小加速电压;遏止电位指光电效应中加在光电管阴极和阳极之间使光电流恰好为零的最小反向电压。
2、里查逊直线法有什么优点?
在你以前作过的实验中,有无类似的数据处理方法?
里查逊直线法在求解问题时,通过数学变换将无法求得或不易求得的数据变为无关项,使原本
不易求得的物理量求解出来。
像这种数据处理方法在很多呈指数或对数关系的物理量中得到了应用。
比如,光电效应法测普朗克常量时,用到遏止电位与入射光频率的线性关系斜率求的普朗克常量h。
6.总结
这次实验的原理比较简单,首先考察的就是电路的连接,只要电路连接正确,操作时非常简单。
本实验重点考察的是一系列处理实验数据的方法,要重点掌握该实验是如何将复杂的物理量用简单的数据处理方法求出的。
本实验是利用一系列的公式计算出金属电子的逸出功的,在误差允许的范围内,同时也证明了这一系列公式的正确性。
预习报告中的问题:
1、为什么当If变大时,Ia不易测量,伏特表的指针不稳,难以调节准确位置?
4.39Ua
分析:
由公式lgIa=lgI0+出发,Ia反比于T,正比于Ua,因此温度T对
r2
2.30Tr1ln2
r1
Ia的影响更大,而温度T受If的影响。
所以当If较大时,难以较为准确地调节Ua的大小,使伏特表的指针不稳。
2、逸出功的实际意义?
答:
逸出功作为金属的一种性质,实际生活中具有广泛的应用。
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。
原始数据
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 逸出功 测定
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)