金属电子逸出功数据处理

实验5.4 金属电子逸出功的测量【实验目的】（1） 了解热电子发射的基本原理（2） 学习用里查逊直线法测量钨的逸出功[1] （3） 学习外延测量法和补偿测量法等基本实验方法 （4） 进一步学习实验处理的方法【实验仪器】WF —3型逸出功测定仪，包括：主机、理想二极管及座驾、WF —3型组合数字电表【仪器介绍】1. 理想（标准）二极管2. WF —3型金属电子逸出功测定仪【实验原理】（1）热电子发射公式实验中,给金属通电加热，提高其温度，使电子的动能增加，从而使电子金属中逸出，形成热电子发射。

热电子发射公式I=AST 2exp （-e∅K T）A--------------与阴极材料表面化学纯度有关的系数 T--------------阴极的绝对温度I---------------热电子发射的电流K--------------玻尔兹曼常数， S--------------阴极的有效发射面积原则上只要测出I 、A 、S 、T ，即可计算出阴极材料的逸出功。

但由于A ，S 这两个量难以直接测定以及肖特基效应[2]，还不能求出逸出功。

在实际测量中，常用以下测量和数据处理的方法： （3）用里查逊直线法测逸出功 将热电子发射公式两边除以T 2，再取对数得2311.3810J k k --=⨯⋅lg IT 2=lg （AS ）-5.039X 103∅T可见，lg IT 2与1T 成线性关系。

由直线的斜率可得出金属的逸出电位。

这种方法称为里查逊直线法。

（5） 零场电流的测量加速电场为零时阴极的发射电流称为零场电流I 。

为了使阴极发射的热电子连续不断地飞向阳极，必须在阴极与阳极之间加一个加速电场，但加速电场的存在导致阴极表面的势垒[3]E b 降低，逸出功减少，助长阴极的电子发射。

可以证明，阴极热电子发射电流与加速电场的关系为I a =Iexp （0.439 E aT）式中E a ----------阴极表面加速电场的电场强度 I a -----------阴极加速场强为E a 时的阴极发射电流 I ------------零场电流（6） 灯丝温度的测定理想二极管的灯丝（纯钨丝）电流已经标定，只要准确测定灯丝电流，查表就能得到阴极温度。

金属电子逸出功实验报告篇一：《金属电子逸出功的测定》实验指导与报告要求1 《金属电子逸出功的测定》实验指导与报告要求一、电子发射 1、电子发射的分类：⑴、光电发射：靠光照射金属表面引起电子发射。

⑵、热电子发射：加热金属使其中大量电子克服表面势垒而逸出。

⑶、二次电子发射：靠电子流或离子流轰击金属表面产生电子发射⑷、场效应发射：靠外加强电场引起电子发射 2、热电子发射⑴、无线电电子学的基础⑵、真空管中从通电加热的金属丝阴极表面逸出电子的现象二、实验目的和要求1、了解热2、掌握逸出功的测量方法。

2、学习一种数据处理方法。

V三、金属电子逸出功的测定原理简述 1、真空二极管的结构a) 阴极K 通以电流 If 加热b) 阳极A上加以正电压，在连接这两个电极的外电路中将有电流 Ia 通过2、金属电子逸出功⑴金属中电子能量分布根据固体物理学中金属电子理论，金属中传导电子的能量分布按费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布，即：dN＝dW314π223(2m)WeW－WFkT＋1式中WF称费米能级。

c) 金属-真空界面表面势垒曲线 (x为电子距离金属表面的距离) d) 逸出功定义：E0?Eb?EF?eV⑵、根据费米-狄拉克能量分布公式，可以推导出热电子发射公式，称里查逊-杜什曼(Richardson-Dushman)公式。

I＝ASTe式中：I-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eV-金属的逸出功A-与阴极化学纯度有关的系数2－eVkT3、肖脱基效应I＝AST2eeΦkT式中的I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。

金属电子逸出功数据处理注意事项
一、阳极电流I a在电表显示的单位是mA，在第一个数据表格单位为μA。

数
据记录时注意将电表读数乘以1000，即记录整数。

二、lg I a数值是对国际单位A取对数，如果对μA取对数，数据勿忘lg10-6，
即整数取对数后减去6。

三、lg I/T2不等于lg1/T2，注意教材中正体1和斜体I的区别。

用最小二乘法计
算斜率m的公式时不要写错。

四、lg I/T2中的T是103K，取对数时勿忘lg（103）-2，即表格中数据取对数后
减去6。

五、第三个表格填写数据时注意T与lg I的对应关系。

lg I按图线顺序是从下往
上记录，即灯丝最低温度对应lg I的最小值。

六、斜率m为负值，且有数量级。

斜率的数量级来自1/T为10-4/K
七、逸出功的数值就是逸出功电位的数值，两者只是单位不同，不需要将ev 换
算为J。

八、第二个表格有效数字保留4位。

第三个表格有效数字小数点后保留2-3位。

相对误差E大于1%取2位，小于1%取1位。

九、Excel作图需打印。

加分项最小二乘法计算5个截距和1个斜率时需写过
程。

金属电子逸出功的理论及实验分析实验22 金属电子逸出功的测定【实验目的】1．用里查逊（Richardson）直线法测定金属钨的电子逸出功。

2．了解光测高温计的原理和学习高温计的使用。

3．学习数据处理的方法。

【实验原理】若真空二极管的阴极（用被测金属钨丝做成）通以电流加热，并在阳极上加以正电压时，在连接这二个电极的外电路中将有电流通过，如图3—22—1所示。

这种电子从加热金属丝发射出来的现象，称为热电子发射。

研究热电子发射的目的之一可以选择合适的阴极材料。

诚然，可以在相同加热温度下测不同阳极材料的二极管的饱和电流，然后相互比较，加以选择。

但通过对阴极材料物理性质的研究来掌握其热电子发射的性能，这是带有根本性的工作，因而更为重要。

1．电子的逸出功根据固体物理学中金属电子理论，金属中的传导电子能量的分布是按费米——狄拉克（Fermi-Dirac）分布的。

即3—22—1式中称费米能级。

图3—22—1 图3—22—2在绝对零度时电子的能量分布如图3—22—2中曲线（1）所示。

这时电子所具有的最大能量为。

当温度升高时电子的能量分布曲线如图3—22—2中曲线（2）所示。

其中能量较大的少数电子具有比更高的能量，而其数量随能量的增加而指数减少。

在通常温度下由于金属表面与外界（真空）之间存在一个势垒，所以电子要从金属中逸出必须至少具有能量从图3—22—2可见，在绝对零度时电子逸出金属至少需要从外界得到的能量为：称为金属电子的逸出功，其常用单位为电子伏特（ev），它表征要使处于绝对零度下的金属中具有最大能量的电子逸出金属表面所需要给予的能量。

称为逸出电位，其数值等于以电子伏特表示的电子逸出功。

可见，热电子发射就是用提高阴极温度的办法以改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量大于，这样能量大于的电子就可以从金属中发射出来。

因此，逸出功的大小，对热电子发射的强弱，具有决定性作用。

2．热电子发射公式根据费米—狄拉克能量分布公式3—22—1，可以导出热电子发射的里查逊—杜什曼（Richar-dson-Dushman）公式3—22—2式中——热电子发射的电流强度，单位为安培。

课程名称：大学物理实验（二）实验名称：金属电子逸出功的测定二、实验原理2.1金属电子逸出功逸出功：指要使电子从固体表面逸出，所必须提供的最小能量，用∆∅表示。

费米-狄拉克分布规律：在金属内部，电子按由低能态到高能态的次序占据，服从f(E,T)=1(1)1+exp⁡[(E−E F)/kT]如图1所示，在绝对零度时电子的最大动能是EF。

当温度升高时，有少部分电子的能量大于EF，能量的变化在~0.1eV 量级图1 费米-狄拉克分布规律测量时，逸出功等于费米能与真空能级之间的能量差。

∆∅=E Vacuum−E Fermi=eU(2)图2 金属钨表面电子的势能曲线2.2电子逸出功的测量方法1、里查逊—杜西曼公式（Richardson-Dushman formulaI=AST2exp(−eUkT)(3)式中：I是热电子发射的电流强度（单位：A）S是阴极金属的有效发射面积（单位：cm2）T是热阴极的绝对温度（单位：K）A是与阴极化学纯度有关的系数（单位：A⋅cm2⋅K−2）k是玻尔兹曼常数（k=1.38×10−23J⋅K−1）2、里查逊直线法I=AST2exp(−eUkT)(4)转化为I T2=ASexp(−eUkT)(5)取对数得：lg IT2=lg(AS)−eUklg⁡(e)1T(6)其中e和k是常数，U是逸出电势带入常数得：lg IT2=lg(AS)−5.04×103U1T(7)得：lg IT2和1T的线性关系，其斜率为5.04×103U里查逊直线法优点：可以不必测出A、S 的具体数值，只要测出I，T 的关系，由斜率可以得到逸出电势U。

温度T 可由通过灯丝的电流对照给出：表1 灯丝电流与温度的对应关系I f(A)0.580.600.620.640.660.680.70T(103K) 2.06 2.10 2.14 2.18 2.22 2.26 2.303、用外延法求零场电流测金属丝做成的阴极K，通过电流加热，在阳极加正向电压，则在连接这两个电极的外围电路中将有电流Ia通过。

数据处理：计算对数值lg I a 数据表根据上表数据得到)(lg a a U SqrtI 关系曲线图，如图（1）：阴极电流记录表图（1）：lg （Ia ）-sqrt （Ua ）曲线图图像分析：由图表可看出，当温度一定时，a I lg 与a U 成线性关系，且从图中可读出曲线的截距，即为0lg I以灯丝电流f I =0.6A 为例，此时有表可查的灯丝温度T=1880K ，由于此时可从图（1）读得0lg I = - 4.4946，故可求得0I = 3.20184*10-5 ，进而可计算的20lgTI = -11.043 ， T1=0.000532。

进而绘制得20lgT I -T1数据记录表： 20lg T I -T1数据记录表图（2） 20lgT I -T1关系曲线 图像分析： 由图可读得直线斜率.K= - 22062，故Φ=-22062/-5040=4.38V ，所以钨的电子逸出功eV e 38.4=Φ，与公认值eV e 54.4=Φ相比较可知，再实验误差范围允许之内，实验是成功的。

相对误差： 相对误差B=(4.54-4.38)/4.54=3.5%分析原因：由于实验仪器的精确度有限还有就是加上人为因素，读数偏差（主要是因为显示器读数不稳定，还有可能因为读数过快，导致未达到稳定就读取了示数）综合导致实验误差的产生。

电子核质比的测量：Is-Ia 记录表根据上表数做出a c I U 2与的图像如下:图（3）a c I U 2与的曲线关系图图形分析：我们由图像可以看出a c I U 2与的曲线关系图为线性变化一次函数，且图像斜率大于零。

由图像得知K=160.89.计算=0.01295079 进而得出核质比:11 2 3 2 2 2 ' 10 045 . 5 )10 9 . 3 ( 8 01295079 . 0. 160.89 8 ⨯ = ⨯ ⨯ = ⨯ = - a K K m e 22 22 7 '04. 0 021 . 0 021 . 0 04. 0 028 . 0 028 . 0 ln ) 021 . 0 028 . 0 ( 2 984 10 4 + + + + ⨯ - ⨯ ⨯ ⨯ ⨯ = - π K思考与讨论：1．为了提高测量精度，实验中应该注意什么？答：实验前一定注意要先预热一段时间，保证灯丝温度达到实验要求，记录数据时要尽可能等到显示器示数稳定后再读取，减小造成人为失误，保证实验数据准确记录，另外，有效数字的保留也很重要，一定要实事求是读取实验数据。

金属电子逸出功的测定金属电子的逸出功(或功函数),其常用单位为电子伏特(eV),它表征要使金属中比费米能极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,与电量e的乘积等于以电子伏特为单位的电子逸出功。

[实验目的]1．用里查逊（Richardson）直线法测定金属钨的电子逸出功。

2．学习并熟练图解法数据处理的方法。

[实验原理]若真空二极管的阴极（用被测金属钨丝做成）通以电流加热，并在阳极上加以正电压时，在连接这二个电极的外电路中将有电流通过，如图所示。

这种电子从加热金属丝发射出来的现象，称为热电子发射。

1．电子的逸出功根据固体物理学中金属电子理论，金属中的传导电子能量的分布是按费米——狄拉克（Fermi-Dirac）分布的。

即（1）式中称费米能级。

在通常温度下由于金属表面与外界（真空）之间存在一个势垒，所以电子要从金属中逸出必须至少具有能量，在绝对零度时电子逸出金属至少需要从外界得到的能量为：称为金属电子的逸出功，其常用单位为电子伏特（ev）。

称为逸出电位，其数值等于以电子伏特表示的电子逸出功。

2．热电子发射公式根据费米—狄拉克能量分布公式（1）可以导出热电子发射的里查逊—杜什曼（Richar-dson-Dushman）公式（ （2）式中——热电子发射的电流强度，单位为安培。

——和阴极表面化学纯度有关的系数，单位为安培/厘米2·度2。

——阴极的有效发射面积，单位为平方厘米。

——玻尔兹曼常数。

3．里查逊直线法将（2）式两边除以，再取对数得到（3）从（3）可以看出，与成线性关系。

如果以作纵坐标，以为横坐标作图，从所得直线的斜率即可求出电子的逸出电位，从而求出电子的逸出功。

4．从加速场外延求零场电流为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阴极，必须在阴极和阳极间外加一个加速电场。

在加速电场的作用下，阴极发射电流和有如下的关系（4）对（4）式取对数得,把阴极和阳极做成共轴圆柱形，并忽略接触电位差和其它影响，则加速电场可表示为（5）式中和分别为阴极和阳极的半径，为加速电压，由（5）式可见，在一定的温度和管子结构时，和成线性关系。

金属逸出功的测定实验报告一、实验目的1、了解热电子发射的基本规律。

2、用理查逊直线法测定金属钨的逸出功。

二、实验原理1、热电子发射金属中的自由电子在一定的温度下会具有一定的动能，当电子的动能大于金属表面的逸出功时，电子就会从金属表面逸出，这种现象称为热电子发射。

2、理查逊杜什曼定律热电子发射的电流密度＄j$ 与金属表面的温度＄T$ 和逸出功＄W$ 之间有如下关系：＼j ＝ A T^2 e^｛＼frac{W}｛kT}｝＼其中，＄A$ 是与金属材料有关的常数，＄k$ 为玻尔兹曼常数。

对上式两边取对数可得：＼＼ln j ＝＼ln A ＋ 2\ln T ＼frac{W}｛kT}＼若以＄＼ln j$ 为纵坐标，＄＼frac{1}｛T}＄为横坐标作图，可得一直线。

直线的斜率为＄＼frac{W}｛k}＄，由此可求出金属的逸出功＄W$ 。

三、实验仪器WF-1 型金属电子逸出功测定仪、理想二极管、检流计、标准电阻、稳压电源、温度计等。

四、实验步骤1、按实验电路图连接好电路。

2、接通电源，预热仪器约 20 分钟，使灯丝达到热稳定状态。

3、调节灯丝电流，测量不同灯丝电流下的阳极电压和对应的阳极电流。

4、同时记录灯丝温度，灯丝温度可通过灯丝电流和仪器所给的灯丝电流与温度关系曲线查出。

五、实验数据记录与处理1、实验数据记录｜灯丝电流＄I_f$ （A) ｜阳极电压＄U_a$ （V) ｜阳极电流＄I_a$ （＄＼times 10^｛－6}＄ A) ｜灯丝温度＄T$ （K) ｜｜｜｜｜｜｜050 ｜25 ｜03 ｜1800 ｜｜055 ｜30 ｜05 ｜1850 ｜｜060 ｜35 ｜08 ｜1900 ｜｜065 ｜40 ｜12 ｜1950 ｜｜070 ｜45 ｜18 ｜2000 ｜｜075 ｜50 ｜25 ｜2050 ｜2、数据处理（1）计算不同温度下的电流密度＄j$ ，电流密度＄j ＝＼frac{I_a}｛S}＄，其中＄S$ 为阳极的有效面积。