鎢逸出電位的測量-普物實(shí)驗(yàn)講義

鎢逸出電位的測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提高真空管的性能很重要。本實(shí)驗(yàn)介紹一種測量金屬逸出功的簡單方法——里查遜（Richardson）直線法。不難看出，金屬逸出功的測量是一項(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。【目的】了解熱電子發(fā)射的基本規(guī)律。用里查遜直線法測定鎢的電子逸出電位?！緝x器】LB－MEP－PC微機(jī)金屬電子綜合實(shí)驗(yàn)儀（包括理想二極管管座、連接導(dǎo)線等）。【原理】根據(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。如圖1所示，在絕對零度（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)動能較大的少數(shù)電子具有比Wi更高的能量，而且具有這樣能量的電子數(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)勢阱中運(yùn)動，勢阱深度為Wa>Wi。為使電子從絕對零度（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）。GUGUaIe′A(1)T=0K(1)T=0K(2)T=1500K(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，只要測定、A、和就可求出。由于A、S在實(shí)際測量中很難測準(zhǔn)，所以我們常用下述方法：將（2）式兩邊除以，再取對數(shù)，得 （3）可以看出，與呈線性關(guān)系。因此，如果能測得一組溫度及其對應(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)射電流會隨外加的加速電場的增大而增加，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的增大而增加，即有所謂的肖脫基效應(yīng)： （4）式中，為外電場為時(shí)的發(fā)射電流，為零場發(fā)射電流。如果把陰極和陽極作成共軸的圓柱體，并近似為無限長的圓柱體，可得到陰極表面附近場強(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（4）式取對數(shù)，則得代入舍去的（5）式，則實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格表2在不同陽極加速電壓和燈絲電流下的陽極電流4.05.06.07.08.09.010.0（A）－－－－－－－0.6500.6750.7000.7250.7500.7750.800表3 ～曲線數(shù)據(jù)表4.05.06.07.08.09.010.0（10-4K-1）T（K）－－－－－－－－－－直線斜率 逸出電位 逸出功 與逸出電位公認(rèn)值（）相比的相對誤差 _____________%【注意事項(xiàng)】1．管子燈絲經(jīng)過高溫老化處理，燈絲性脆，所以管子要輕拿輕放，加溫與降溫都必須緩慢，尤其燈絲加熱后應(yīng)避免強(qiáng)烈振動。不要隨便把管子拿下來。2．燈絲電流不宜超過0.800A，本實(shí)驗(yàn)也可只做到0.7753．由于燈絲的熱動平衡的滯后性，每調(diào)一次燈絲電流，要略等片刻，待穩(wěn)定后再測量?！舅伎碱}】什么是里查遜直線法？什么是肖脫基效應(yīng)？【附錄】各種金屬的逸出功、熔點(diǎn)和發(fā)射系數(shù)金屬名稱銫Cs鈣Ca鎳Ni釷Tm鉭Ta鉬Mo鎢W逸出功(eV)1.8