金属钨电子逸出功的测量

金属钨电子逸出功的测量金属钨电子逸出功的测量 金属电子逸出功的测量是近代物理学一个重要实验，它不仅可以证明电子的存 在，而且为无线电电子学发展起到过不可磨灭的作用。 1884 年。当美国著名发明家爱迪生对白炽灯进行研究时，他发现灯泡里的白炽 碳丝会逸出带负电的电荷。1897 年 J．J.汤姆孙用磁场截止法测量了这个电荷的荷质 比，证明从白炽碳丝逸出的电荷就是电子，后来被称为热电子。由此科学家确定了 “有比原子小得多的微观粒子” ，J．J.汤姆孙也被誉为“一位最先打开通向基本粒子 物理学大门的伟人” 。随后，通过对热电子发射现象的进一步研究，导致了真空电子 管的出现。电子管曾在无线电电子学的发展史中起过重要的作用，虽然目前在电子 线路中它已绝大部分被晶体管和集成电路所取代，但在一些特殊场合，如显像、示 波等，仍必须使用真空电子管。因此研究真空电子管的工作物质——阴极灯丝的电 子发射特性 (用逸出功大小表征)，仍具有实际意义。选择熔点高、逸出功小的金属 作阴极材料对提高真空电子管的性能是很重要的。金属钨由于具有熔点高、制成的 管子寿命长等优点而被当作常用的阴极灯丝材料。影响钨的逸出功的主要因素有： 金属的纯净度、表面沾附层及结构处理工艺等，分别研究它们对逸出功的影响有利 于对制造工艺的改进，提高电子管的性能． 在这个实验里我们将测量具有洁净表面的纯金属钨的逸出功，在该实验中，采 用的里查逊直线法处理数据、 利用光测高温计测量温度等均是甚为巧妙的实验方法。 因此它对学生的基本实验技能是一个很好的训练。 一、实验目的一、实验目的 1. 学习金属电子理论，了解金属热电子发射的基本规律； 2. 学习里查森直线法的数据处理技术； 3. 测量钨的逸出功eφ(或逸出电位 φ)。 二、实验仪器介绍．二、实验仪器介绍． 本实验采用东南大学物理系根据上述实验原理研制生产的 WF-5型逸出功测定 仪．仪器主要部分包括理想二极管、二极管供电电源、温度测量系统和测量阳极电 压、电流的电表等。仪器具有以下特点： ①将所有的电源和测量电表集成在一起，并将理想二极管、测温系统收缩到仪器 内部，形成黑匣子式实验仪器。 ②测量部分均采用数字化技术，将所有的模拟量都通过模数转换器转换成数字量 进行测量，测量结果都以数字显示。 ③ 实验中涉及的所有测量技术均通过微处理器控制，且由大屏幕的LCD 显示器， 将所有的测量菜单、表格显示出来，同时所有的数据处理，直线拟合均有微处理器 自动完成。 考虑到本实验仪器的智能化，同学们难以直观看到或体会到仪器在制造、设计 中的巧妙之处，请同学们在实验前仔细阅读下面的实验原理。 三、实验原理三、实验原理 1. 金属电子理论简介 金属中具有大量自由电子，称为自由电子气，自由电子是简并的。简并的意义 是：金属中具有一定的、分立的电子状态，状态参数可用电子的动量参数与自旋参 数合起来表征。一个可能的电子状态最多具有一个电子，即电子状态可能被电子占 据，也可能空着 (泡利不相容原理 )。但是不同的分立电子状态可能具有相同的能量， 即是说属同一能量状态的电子占据数可能大于1 个，这就是简并。由固体量子理论 的分析可知，服从费米一狄喇克分布的自由电子在能量状态上的分布密度为： 31 dN41 （3.2.1 ）f (E)  3 (2m)2E2 dEhexp[(E  E F )/kT]1 f(E)的意义是在单位体积中自由电子分布在能量为E 附近单位能量区间内的数量。 式中 h 为普朗克常数， m 为电子质量， EF称为自由电子气的费米能级，它就是多粒 子体系的化学势，其随温度稍有变化，EF(T≠0k)0 k 的情形，这时体系中有 一部分电子的能量超过费米能级，它们的数量随能量增加而指数减小。图3-2-1 右 半部分给出在金属与外 界真空之间 存 在一势垒 Eb，电子若从金属中逸出 到 达外界须至少具有能量 Eb。而在绝 对 零度时电子逸出金属至 少需要从外 界 得到能量 Eo=Eb-EF。Eo 称为金属的 逸 出功。表面势垒的存在 保证了金属 的 电中性，所以图中右半 部分表示了 金 属表层附近势垒的情况 。逸出功的 单 位用电子伏特来表示，E0=eφ，φ称 为 逸出电位。一般地可以 用升温的办 法 图图 3-2-13-2-1位位能能势势垒垒图图 使金属中一部分电子的 能量高于表 面 势垒 Eb，这样电子就可不断地逸出金属形成热电子发射。 2. 热电子发射公式 根据金属中自由电子体系能量分布密度函数即可导出热电子发射公式，这里只 给出结果： I s  AST2exp(e/kT) （3.2.2 ） 式中 Is——热电子发射电流强度(A)； S——阴极有效发射面积(cm2)； T——热阴极温度 (K)； eφ——即 Eo，金属逸出功 (电子伏特 )； A——与阴极材料有关的系数． 此公式称为里查森——杜西曼公式。 如何用实验的方法测量eφ呢?由上式易见只要能分别测量IsA、S 和 T，eφ 可直 接计算得到。 但实验上对 A 与 S 的直接测量是十分困难的， 因此需要寻求一种方法， 它能避开对 A、S 的测量。下面要介绍的里查森直线法就成功地做到了这一点。从里 查森直线法出发，只要测量发射电流Is及相应的温度，即可求出eφ。 3. 里查森直线法 将(3.2.2) 式两边除以 T2。再分别取以10 为底的对数，得： lg I s 1e1  lg AS ()  lg AS 5040 (3.2.3) T22.303kTT 从(3.2.3) 式可以看出，lg I s 1 与呈线性关系。这样如果测得一组温度及对应的发射 T2T 电流数据 (Ti，Isi)，即可作出直线lgI s／T2―1/T。由该直线的斜率 k=5040 φ 即可得出 该金属的逸出电位 φ。这种求逸出功的方法就是里查森直线法，其优点是避开了难 以测量的A、S 因子(A，S 只影响直线的截矩 )，由灯丝温度及发射电流通过作图求 直线斜率确定逸出电位φ，这是数据处理的一种巧妙的方法。下面就讨论在技术上 如何测量 Is及 T。 4. 发射电流的测量 实验采用抽真空的直热式理想二极管，二极管的阴极灯丝由圆柱型的金属钨丝 做成．二极管的阳极也相应地做成圆柱型，且与阴极同轴．图3-2-2 分别是理想二 极管的外形与测量线路．阴极灯丝的加热电流If，由安培表测量；发射电流Is由微 安表测量。在二极管的阴极与阳极之间还要外加电压Ua，它形成的电场由阳极指向 阴极。这个电场对于消除热 电子在极间的积累、保证阴 极电子连续不断地漂向阳极 是必须的。然而在发射电流 Is 的测量过程中，必须考虑到 这个外加电压对阴极电子发 射特性的影响。外加电压将 影响表面势垒，从而影响电 子发射特性。外加电压对电 子发射特性的影响称为肖特 图图 3-2-23-2-2二二极极管管外外形形及及测测量量线线路路图图 基效应，肖特基指出，当外 电场为 Ea时，其发射电流： I s  I s exp(e3/ 2E a /kT) (3.2.4) 在(3.2.4) 式中令 Ea=O，得I s  I s ，即 Is为外加电场为零时的发射电流，它也就是 里查森直线法中需要测量