鎢逸出電位的測(cè)量_普物實(shí)驗(yàn)講義

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1、鎢逸出電位的測(cè)量真空管在無線電電子學(xué)中起著重要作用，因此研究真空管燈絲的熱電子發(fā)射以及金屬逸出功的問題具有現(xiàn)實(shí)意義。燈絲的溫度越高或燈絲金屬的逸出功越小，燈絲發(fā)射的電流密度越大。因此選擇熔點(diǎn)高、逸出功小的金屬作陰極材料對(duì)提高真空管的性能很重要。本實(shí)驗(yàn)介紹一種測(cè)量金屬逸出功的簡(jiǎn)單方法——里查遜（Richardson）直線法。不難看出，金屬逸出功的測(cè)量是一項(xiàng)重要的基本工作，無論在理論上還是技術(shù)上都具有重要作用?！灸康摹?．了解熱電子發(fā)射的基本規(guī)律。2．用里查遜直線法測(cè)定鎢的電子逸出電位。【儀器】LB－MEP－PC微機(jī)金屬電

2、子綜合實(shí)驗(yàn)儀（包括理想二極管管座、連接導(dǎo)線等）?！驹怼扛鶕?jù)固體物理中金屬的電子論，金屬中的電子具有一定的能量，并且其能量遵循費(fèi)米——狄拉克（Fermi—Dirac）分布。熱平衡時(shí)，能量在W~W+dW區(qū)間、金屬中單位體積內(nèi)的電子數(shù)為(1)式中，h為普朗克常數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，m為電子質(zhì)量，Wi為費(fèi)米能級(jí)。如圖1所示，在絕對(duì)零度（T=0K）時(shí)，其能量分布如曲線（1）所示，此時(shí)電子具有的最大動(dòng)能為Wi。當(dāng)溫度升高時(shí)（例如T=1500K），電子能量分布如曲線（2）所示，這時(shí)動(dòng)能較大的少數(shù)電子具有比Wi更高的能量，而且具有這

3、樣能量的電子數(shù)隨能量的增加而指數(shù)遞減。在通常溫度下，由于金屬表面存在一個(gè)電子—正電荷的偶電層，使得電子受到束縛而不能從表面逸出，即金屬中的電子是在一個(gè)勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)，勢(shì)阱深度為Wa>Wi。為使電子從絕對(duì)零度（T=0K）下的金屬中逸出所需要的最小能量W0，稱為金屬的逸出功，以W0表示。顯然W0＝Wa－Wi=eΦΦ為金屬的逸出電位，單位為伏特（V）。GUaIe′A(1)T=0K(2)T=1500K圖1金屬中電子的能量分布圖2熱電子發(fā)射原理圖可以用加熱的方式使金屬中的電子獲得足夠的能量而從表面逸出。其具體方法如圖2所示：在高真空

4、管中裝上兩個(gè)電極。陰極為通以電流被加熱的金屬絲，可以發(fā)射電子。陽極加上正電位，可以接收電子。這樣連接兩電極的外電路中將有電流通過，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。根據(jù)費(fèi)米—狄拉克分布式可以導(dǎo)出熱電子發(fā)射的電流強(qiáng)度為：（當(dāng)陽極電壓Ua＝0時(shí)）（2）其中，為熱電子發(fā)射電流強(qiáng)度（安培），為陰極材料的有效發(fā)射面積（cm2）,為熱陰極的絕對(duì)溫度（），＝W0為陰極金屬的電子逸出功（電子伏特），為波爾茲曼常數(shù)，為與陰極材料有關(guān)的系數(shù)。根據(jù)（2）式，只要測(cè)定、A、和就可求出。由于A、S在實(shí)際測(cè)量中很難測(cè)準(zhǔn)，所以我們常用下述方法：將（2）式兩邊

5、除以，再取對(duì)數(shù)，得（3）可以看出，與呈線性關(guān)系。因此，如果能測(cè)得一組溫度及其對(duì)應(yīng)的發(fā)射電流數(shù)據(jù)，作直線～，由直線的斜率就可得出待測(cè)金屬的逸出電位。這種求的方法稱為里查遜直線法，其優(yōu)點(diǎn)是避開了難以測(cè)量的A、因子，僅由燈絲溫度以及發(fā)射電流就可確定逸出電位。但是在實(shí)際上測(cè)量仍有一定困難。因?yàn)樵陉枠O加了正電壓后，發(fā)射電流會(huì)隨外加的加速電場(chǎng)的增大而增加，這不僅由于所有陰極發(fā)射電子全部被吸向陽極，而且陰極本身的發(fā)射量也隨著外加加速場(chǎng)的增大而增加，即有所謂的肖脫基效應(yīng)：（4）式中，為外電場(chǎng)為時(shí)的發(fā)射電流，為零場(chǎng)發(fā)射電流。如果把陰極和

6、陽極作成共軸的圓柱體，并近似為無限長(zhǎng)的圓柱體，可得到陰極表面附近場(chǎng)強(qiáng)與電位的關(guān)系為（5）式中，、分別為陰極及陽極圓柱面的半徑，為外加電壓，為接觸電位差及其它原因形成的電位差。通常>>，可以忽略。對(duì)（4）式取對(duì)數(shù)，則得代入舍去的（5）式，則（6）0圖3由～直線確定（6）式表明，在一定溫度下，與成正比。作直線～，直線的縱軸截距即為，由此得到＝0時(shí)不含肖脫基效應(yīng)的熱電子發(fā)射電流，如圖3所示。陰極溫度T的測(cè)量是否準(zhǔn)確對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大，是研究熱電子發(fā)射中的一個(gè)很重要的問題?？梢杂霉鉁y(cè)高溫計(jì)測(cè)量燈絲溫度，也可以通過測(cè)量陰極加熱

7、電流的方法來確定陰極溫度。陰極溫度與電流的關(guān)系已有人測(cè)定并列表，如表1所示。表1燈絲電流與燈絲溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系燈絲電流（A）0.6500.6750.7000.7250.7500.7750.800燈絲溫度（103K）1.962.002.042.082.122.162.20【實(shí)驗(yàn)儀器】LB－MEP－PC金屬電子綜合實(shí)驗(yàn)儀如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)所用電子管為直熱式理想二極管，管子結(jié)構(gòu)及外形如圖a所示。陰極由鎢絲做成，陽極是用鎳片做成的圓筒形電極（半徑a＝4.0mm）。在陽極上有一小孔以便用光測(cè)高溫計(jì)測(cè)定燈絲溫度。為了避免燈絲有冷端效

8、應(yīng)和電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，在陽極兩端裝有兩個(gè)保護(hù)電極。保護(hù)電極與陽極加同一電壓，但其電流不計(jì)入熱電子發(fā)射電流中。測(cè)量線路原理如圖b所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可將理想二極管插入金屬電子綜合實(shí)驗(yàn)儀的管座上，按實(shí)驗(yàn)原理圖將理想二極管的管座和金屬電子綜合實(shí)驗(yàn)儀的主機(jī)箱用導(dǎo)線連接好。出廠時(shí)，主機(jī)箱的電路已在儀器內(nèi)部連接好，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)只需按數(shù)字用導(dǎo)線一一對(duì)應(yīng)連