金属逸出功实验.pdf

示范报告 金属电子逸出电势金属电子逸出电势和荷质比和荷质比的测量的测量 实习一实习一 金属电子逸出电势的测量金属电子逸出电势的测量 【实验要求和目的】【实验要求和目的】1.了解金属电子逸出功的基本理论 2.学习用里查孙直线法测定钨的逸出功 3.学习用计算机接口辅助进行实验数据采集和处理【实验原理】【实验原理】在理想二极管的阳极上加以正电压时，连接这两个电极的外电路中将有电流通过，这种现象，称为热电子发射。金属中的传导电子能量的分布是按费密狄喇克能量分布的。即 121233 1)exp()2(4)()(kTEEEmhdEdNENEfF （1）在绝对零度时电子的能量分布如右图中曲线(1)所示。这时电子所具有的最大能量为FE（费密能级）。当温度 T0时，电子的能量分布曲线如图中曲线(2)、(3)所示。通常温度下金属表面与外界(真空)之间存在一个势垒bE，电子要从金属中逸出，至少具有能量bE。在绝对零度时电子逸出金属至少要从外界得到的能量为 eEEEFb0 （2）0E(或 e)称为金属电子的逸出功，它表征要使金属中比费米能极FE具有最大能量的电子逸出金属表面所需要给予的能量。称为逸出电势。提高阴极温度使其中一部分电子的能量大于势垒bE。这样，能量大于势垒bE的电子就可以从金属中发射出来。因此，逸出功 e的大小，决定了电子发射的强弱。根据费密狄喇克能量分布公式(1)，可以导出热电子发射的里查孙热西曼公式 )exp(2kTeASTI (3)式中 I热电子发射的电流强度(A)。A和阴极表面化学纯度有关的系数(Am-2K-2)。S阴极的有效发射面积(m2).T发射热电子的阴极的绝对温度(K)。K玻尔兹曼常数，k=1.3810-23JK-1 由于 A 和 S 两个量难以直接测定，所以在实际测量中用下述的里查孙直线法。将式(3)两边除以2T，再取常用对数得 TASkTeASTI11004.5lg30.2lglg32 (4)从(4)式可见，2lgTI与T1成线性关系。如以2lgTI为纵坐标，以T1为横坐标作图，从示范报告 所得直线的斜率，即可求出电子的逸出电势，从而求出电子的逸出功 e。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aE。然而由于aE的存在会使阴极表面的势垒bE降低，因而逸出功减小，发射电流增大，这一现象称为肖脱基效应。在阴极表面加速电场aE的作用下，阴极发射电流aI与aE有如下的关系 )439.0exp(TEIIaa (5)式中aI和I分别是加速电场为aE和加速电场为零时的发射电流。对(5)式取对数得 aaETII30.2439.0lglg (6)如果把阴极和阳极做成共轴圆柱形，并忽略接触电势差和其它影响，则加速电场 121lnrrrUEaa (7)式中1r和2r分别为阴极和阳极的半径，aU为阳极电压，将(7)式代入(6)式 121ln30.2439.0lglgrrrUTIIaa (8)由右图所示。直线的延长线与纵坐标的交点即为Ilg。由此即可求出在一定温度下加速电场为零时的发射电流I。实验电路如左图所示。【实验仪器】WF-4 型金属电子逸出功测定仪、理想二极管。【实验步骤】1.连接好阳极和灯丝的电压、电流表，测量灯丝电流和阳极电流及阳极电压。接通电源，预热 10 分钟。2.将理想二极管灯丝电流fI从 0.550.75A，每间隔 0.05A 进行一次测量。对应每一灯丝电流，在阳极上加 16，25，36，49，121V诸电压，各测出一组阳极电流aI，并计算对数值aIlg。.作出aIlgaU图线。再根据aIlgaU直线的延长线与纵坐标上的截距，从图上直接读出不同阴极温度时的零场热电子发射电流I的对数值Ilg。计算不同温度T时的2lgTI和T1值，并据此作出2lgTIT1图线。根据直线斜率示范报告 求出钨的逸出电势。【实验数据实验数据】灯丝电流If/A 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.77 灯丝温度T/103K 1.80 1.88 1.96 2.04 2.12 阳极电压Ua 阳极电流 Ia/A Ia/A Ia/A Ia/A Ia/A Ia/A 16 5 20 69 216 583 840 25 5 21 72 221 620 878 36 5 21 74 238 641 906 49 5 22 75 252 661 927 64 6 23 78 259 682 948 81 6 23 80 265 690 972 100 6 24 81 272 692 995 121 6 24 83 277 706 1010 【数据处理数据处理】1.计算机数据处理记录：计算机数据处理记录：T/K 1800 1880 1960 2040 2120 2152 Ilg-5.4-4.8-4.28-3.79-3.35-3.21 2lgTI-17.92-17.36-16.87-16.42-16.01-15.88/10/14TK 5.56 5.32 5.10 4.90 4.72 4.65 逸出功 e=4,456 eV 与逸出功公认值 e=4.54eV 相比的相对误差：rE=1.9%2.图解法图解法数据处理：数据处理：在不同阳极加速电压和灯丝温度下的阳极电流在不同阳极加速电压和灯丝温度下的阳极电流 aU/V1/2 fI/A,4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 0.550 lgIa-5.30-5.30-5.30-5.30-5.22-5.22-5.22-5.22 0.600-4.70-4.68-4.68-4.66-4.64-4.64-4.62-4.62 0.650-4.16-4.14-4.13-4.12-4.11-4.10-4.09-4.08 0.700-3.67-3.66-3.62-3.60-3.59-3.58-3.57-3.56 0.750-3.23-3.21-3.19-3.18-3.17-3.16-3.16-3.15 示范报告 示范报告 示范报告 根据表中数据作图：以2lgTI为纵坐标，T1为横坐标，用图解法求直线的斜率。直线斜率：)1()(lg2TTIm -(1.00/0.42)104 =-2.38 104 逸出电势=31004.5m=4,72 (V)逸出功 e=4,72 eV 与逸出功公认值 e=4.54eV 相比的相对误差：rE=4.0%实习实习二二 用用磁控方法磁控方法测量荷质比测量荷质比 【目的与要求】【目的与要求】1加深对带电粒子在电磁场中运动规律的理解。2了解电子束的磁控原理并定量分析磁控条件。3测定电子荷质比和用计算机辅助进行数据处理。【实验【实验原理】本实验装置的电路原理如下图所示：在理想二极管的阳极加有正电压时，从阴极发射的电子流受电场的作用将作径向运动（下图 a）。如在理想二极管外面套一个通电励磁线圈，原来沿径向运动的电子在轴向磁场作用下，运动轨迹将发生弯曲（下图 b）。在理想情况下，若进一步加强磁场（加大线圈的励磁电流），电子经圆周运动后又返回阴极附近不再到达阳极（电子流运动如下图 c），阳极电流迅速下降，此时称为临界状态。若进一步增强磁场，就会造成阳极电流“断流”。这种利用磁场控制阳极电流的过程称为“磁控”。示范报告 在一定的阳极加速电压下，阳极电流aI与励磁电流SI的关系如左图所示。在单电子近似情况下，从阴极发射出的、质量为m的电子动能 EeUmVa221 （1）电子在磁场B的作用下作半径为R的圆周运动，满足 eVBRVm2 （2）螺线管线圈中的磁感强度B与励磁电流SI成正比 SIB 或 SIKB (3)由（）、（）、（）式可得：2222/KRmeIeEUSa (4)设阳极内半径为a，阴极(灯丝)半径忽略不计，当多数电子都处临界状态时，在阳极电流变化曲线上选择一点称为临界点 Q，与临界点 Q 对应的励磁线圈的电流SI称为临界电流CI,且此时2/aR,阳极电压aU与CI的关系可写为:2228/KameIeEUCa 或:KIeEUCa2/（）上式中228KameK为一常数。显然，aU与2CI成线性关系。可按多数电子的运动情况来考虑临界点：在阳极电流SaII 变化曲线上取阳极电流最大值0aI约 1/4 高度的点为临界点 Q，Q 点的横坐标值作为磁场的临界电流值。改变不同的aU有不同的CI值与之对应。将测得的aU2CI数据组用图解法或最小二乘法求得斜率K。根据励磁线圈的有关参数：线圈的内半径1r、外半径2r，线圈长度L和电流和匝数的积NI,可求出励磁线圈中心处产生的磁感强度：221122221200ln)(2LrrLrrrrNIB （6）再将此磁感强度和测得的K值、理想二极管的阳极内半径a等代入公式(5)、(4)、(3)，即可求得电子的荷质比me/。【实验仪器】【实验仪器】WF-4 型金属电子逸出功测定仪、计算机等。示范报告【实验内容与步骤实验内容与步骤】1将理想二极管、励磁线圈与金属电子逸出功测定仪用导线连接好，测定仪的 COM 接口与电脑上的 COM 接口相连接。打开测定仪的电源，功能选择键为“荷质比”，将二极管的灯丝电流调到 700740mA 范围的某一个值并始终保持不变，预热 10 分钟。打开电脑，仔细阅读“磁控条件”实验软件中仪器介绍和使用说明。2 将阳极电压调到 6.00V 保持不变。选择电脑屏幕上“开始实验”，“第一条曲线开始”。缓慢由最小逐步增大励磁电流，当阳极电流下降为 0 附近时，按下“第一条曲线结束”，并将励磁电流调到最小。3分别测量阳极电压为 5.00V、4.00V、3.00V、2.00V 和 1.00V 时的 IaIs 关系曲线。4对每一 IaIs 关系曲线，确定阳极电流的最大值 Ia0,并求出 Ia=(1/4)Ia0的 Q 点位置，记录对应的励磁电流 Ic 值。5所有曲线的 Ic 值确定后，点击“数据处理”，根据 Ua、Ic2的列表，作相应的 UaIc2关系图，并计算每一Ua/Ic2的斜率。6根据实验所得的斜率及给定的相关参数，计算电子的荷质比 e/m。【数据记录和处理】【数据记录和处理】计算机数据处理结果：计算机数据处理结果：Ua/V 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 Ic/A 0.218 0.202 0.18 0.158 0.139 0.116 Ic2/A2 0.0475 0.0408 0.0324 0.025 0.0193 0.0135 斜率 K=143 理想二极管的阳极半径 a=0.0042m 线圈长度 L=0.040m 匝数 N=961 线圈内半径 r1=0.021m 线圈外半径 r2=0.028m 荷质比 e/m=1.771011C/kg 与公认值 e/m1.7591011C/kg 的百分误差为 0.6%.六六.分析与讨论分析与讨论 1.临界点 Q 的选择均应用同一原则，即或取 Ia=(1/4)Ia0，或取 Ia=(1/5)Ia等，且尽可能选取最接近的值（很有可能该点未被采集到），否则 Q 点对应的 IC值的读取会有很大的误差，直接影响测量结果。由于本实验利用计算机实时采集和处理，在处理过程中，中间量的读取具有很大的人为因数，所以必须注意。2.在测量阳极电流的过程中，必须保持灯丝电流不变（取值在 0.7000.740mA 间），即参考点不能变。