金属电子逸出功的测量
金属电子逸出功的测定
零场发射电流 I
• 肖特基效应
– 在阳极和阴极间加一个加 速电场Ea (为什么？？) – Ea 的存在使阴极表面的势 垒降低，因而逸出功减小， 放射电流增大。
0.439 Ea I a I exp T 0.439 log I a log I 2.30T 1 r1ln r2 r1
注意事项
1、实验开始，uA表量程调到最大，防止指针 摆坏。 2、灯泡预热后，uA量程调小，灯丝电流变大 后，uA量程调大。 3、uA表量程变化后，读数缩小或者扩大几倍。 4、灯丝电流不宜太大。 5、结束时,先将加速电压调为零,再把灯丝电流 调到最小。
电路连接
阳极电压 +接1 –接6； 灯丝电流 +接3 –接5 uA + 接 1 –接 2； A + 接 4 –接 5
5.04103V 2.297104
W e 4.56eV
2.297104 V 4.56V 3 5.0410
逸出功： 相对误差
E
4.56 4.54 4.54
100% 5%
在实验误差所要求的范围内，本实验测得金属钨的逸出功与公认值： 4.54 eV是一致的
金属电子逸出功的测定
实验目的和要求 1、了解热电子发射规律。 2、掌握逸出功的测量方法。 3、学习一种数据处理方法。 电子发射的分类
光电发射 热电子发射 二次电子发射 场效应发射 靠光照射金属表面引起电子发射。 加热金属使其中大量电子克服表面势垒而逸出。 靠电子流或离子流轰击金属表面产生电子发射 靠外加强电场引起电子发射
Ua
求出一组I(T)数据！
金属逸出功的测定
• 零场发射电流 I • 查理逊直线法求逸出电势V
实验5金属逸出功
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。
5.4金属电子溢出功的测量
T /(×103K)
lgI
I lg 2 T
1 /(×10-4K-1) T
根据上表，作图lg (I/T2)～1/T图，利用直线拟合得到斜率，求出逸出功。 直线斜率： K e
k
E0 = E b ¡ E F = eÁ
I Ia
lgI a
Ua
T
lgI
Ua
图1. lg I a U a图
4. 温度T的测量（查表法）
灯丝电流—阴极温度对应表
灯丝电流If /A
0.50
0.55
1.80
0.60
1.88
0.65
1.96
0.70
2.04
0.75
2.12
0.80
2.20
灯丝温度T /（x103K） 1.72
WF-3型金属电子逸出功测定仪
实验数据记录与处理
Ua /V
If / A
0.55 0.60 0.65 0.70 0.75
I a / A
25
36
49
64
81
100
121
144
5 23 80 252 712
6 24 83 260 731
6 24 85 264 747
6 24 87 270 765
6 25 89 275 781
6 26 91 278 797
—阴极的绝对温度； —玻尔兹曼常数， 23 1
Jk
2. 里查逊直线法测逸出功
e 2 将I AST exp( ) 两边除以 T 再取对数 kT
2
lg
可见
I T2
I T
2
lg( AS ) 5.039 10
3
金属电子逸出功测量
实验 金属电子逸出功的测定金属电子逸出功（或逸出电位）的测定实验，综合性地应用了直线测量法、外延测量法和补偿测量法等多种基本实验方法。
在数据处理方面，有比较独特的技巧性训练。
因此，这是一个比较有意义的实验。
在国内外，已为许多高等学校所采用。
拓展实验 Ⅰ用磁控法测量电子比荷Ⅱ测量热电子发射的速率分布规律实验目的1. 用里查孙直线法测定金属（钨）电子的逸出功。
2. 学习直线测量法、外延测量法和补偿测量法等多种实验方法。
3. 学习一种新的数据处理的方法。
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，在连接这两个电极的外电路中将有电流通过，如图1所示。
这种电子从热金属发射的现象，称热电子发射。
从工程学上说，研究热电子发射的目的是用以选择合适的阴极材料，这可以在相同加热温度下测量不同阴极材料的二级管的饱和电流，然后相互比较，加以选择。
但从学习物理学来说，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。
图1 ⒈ 热电子发射公式1911年里查孙提出了之后又经受住了20年代量子力学考验的热电子发射公式（里查孙定律）为⎪⎭⎫⎝⎛-=kT e AST I ϕexp 2 （1） 式中ϕe 称为金属电子的逸出功（或称功函数），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。
ϕ称逸出电位，其数值等于以电子伏特为单位的电子逸出功。
可见热电子发射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，可以克服阴极表面的势垒b E ，作逸出功从金属中发射出来。
因此，逸出功ϕe 的大小，对热电子发射的强弱，具有决定性作用。
式中I —热电子发射的电流强度，单位为安培A —和阴极表面化学纯度有关的系数，单位为安培·米－2·开－2S —阴极的有效发射面积，单位为米2 T —发射热电子的阴极的绝对温度，单位为开k —玻尔兹曼常数，k =1.38×10－23焦耳·开－1根据（1）式，原则上我们只要测定I 、A 、S 和T 等各量，就可以计算出阴极材料的逸出功ϕe 。
金属电子逸出功的测定
实验二十九金属电子逸出功的测定实验目的1．了解热电子发射的概念2．了解电子逸出功的概念3．掌握里查孙直线法测定金属电子逸出功的方法4．学习直线测量法、外延测量法和补偿法等基本实验方法实验前应回答的问题1.什么是里查逊直线法，怎样应用它测得溢出功ϕe，优点是什么？2.实验中直接测量的量是哪几个，怎么测定？3.什么是肖脱基效应，实验中怎样消除肖脱基效应的影响？4.比较热电子发射和光电子发射的异同点，是否可用光电效应法测定金属电子的溢出功？实验过程中重点学习内容1．电子逸出功的概念2．里查孙直线法原理3．直线测量法、外延测量法和补偿法数据处理4．阴极灯丝温度的测定实验要求关于里查孙直线法测定电子逸出功的原理必须清楚，该实验数据处理是难点和重点，主要用到了直线测量法、外延测量法和补偿法等基本实验方法，学生了解仪器原理的基础上，自己调试和使用仪器，掌握实验数据处理的方法，注意作图法处理数据的注意事项和重点内容。
实验主要仪器1．金属电子逸出功的测定仪2．理想二极管结构实验报告要求1．实验报告内容包括：实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、实验数据及处理、总结及误差分析、思考题目。
2．数据处理过程特别注意有效数字问题和不确定度对有效数字的要求。
3．要特别注意分析误差产生的原因。
4．数据处理过程要注意作图法的基本注意事项。
拓宽视野，加深实验了解1．介绍金属电子逸出功的测定的计算机软件，软件可以实时采集实验数据、进行实验数据处理和数据分析、自动计算出金属电子逸出功，界面如下所示。
金属电子逸出功的测定的计算机软件金属电子逸出功的测定的计算机处理实验数据2．肖特基二极管（Schottky Barrier Diode）它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。
其正向起始电压较低。
其金属层除材料外，还可以采用金、钼、镍、钛等材料。
其半导体材料采用硅或砷化镓，多为N 型半导体。
这种器件是由多数载流子导电的，所以，其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多。
金属电子逸出功的测量-北京化工大学
北京化工大学
实验目的
• 掌握用里查逊直线法测定钨的逸出功； • 了解热电子发射的基本规律； • 学习避开某些不易测量常数而直接得到结
果的实验方法； • 学习测定电子荷质比的方法； • 测定电子荷质比。
实验原理
• 根据电子从金属表面逸出提供能量的方式 不同，电子发射可以分为光电子发射、热 电子发射、二次电子发射、场效应发射四 种类型。
原则上只要测出I0，A，S和T，就可以计算 出逸出功。难点在于：A和S这两个量难以
直接测定。
• 实验中采用里查逊直线法避开两个量的测 量。
2、里查逊直线法
• 对（5-13-1） 式两边除以T2再取对数得：
lg
I0 T2
lg
AS
5.04103
1 T
（5-13-2）
由上式可见，如果以
1 T
Va
（5-13-3）
• 由上式可知，如果以 Va 为横坐标，以lg Ia 为纵坐标，此直线的截距为 lg I0 。由此 可求出一定温度下，加速电场为零时的发
射电流I0
实验装置
• W-III型金属电子逸出功测定仪； • 理想二极管； • 螺线管； • 导线等
实验内容
• 熟悉仪器装置，正确连接电路，调整各旋钮使仪 器处于测量安全状态。
为横坐标，以
lg
I T
0 2
为纵坐标，从直线的斜率即可求出电子的
逸出电位φ，从而求出逸出功e φ。这种方法
叫做里查逊直线法。
• 思考：这种方法有什么好处？
3、加速场外延法求零场电流
• 为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阳极，必须 在阴极和阳极间外加一个加速电场Ea．在加速电场Ea的作 用下，阴极发射电流Ia与Ea有如下的关系：
金属电子逸出功的测定大学物理实验
实验结果分析
对比分析
将实验结果与理论值进行对比，分析差异产 生的原因，以检验实验的准确性和可靠性。
规律总结
根据实验结果，总结金属电子逸出功与相关 因素之间的规律，加深对实验原理和物理现 象的理解。
误差分析
误差来源
分析实验过程中可能产生的误差来源，如测 量误差、仪器误差等。
误差传递
根据误差传播理论，计算误差对实验结果的 影响，以提高实验的精度和准确性。
记录加热过程中金属薄膜表面形貌的变化情况，包 括颜色、光泽、熔融等。
02
测量金属薄膜的厚度，计算金属电子逸出功。
03
分析实验数据，得出结论，并与理论值进行比较。
04
结果分析
数据处理与图表绘制
数据处理
将实验测得的数据进行整理、筛选和计 算，确保数据的准确性和可靠性。
VS
图表绘制
根据处理后的数据绘制图表，如柱状图、 曲线图等，以直观地展示实验结果。
感谢您的观看
THANKS
步骤4
观察电子显微镜中的金属薄膜 表面形貌，记录加热过程中的 变化。
步骤1
将金属样品放入真空镀膜机中， 制备一定厚度的金属薄膜。
步骤3
连接恒流电源和恒压电源，调 整电流和电压值，使金属薄膜 加热至一定温度。
步骤5
调整恒流电源和恒压电源的参 数，重复步骤3和步骤4，获取 多组数据。
数据记录与处理
01
金属电子逸出功的性质
与金属种类有关，不同金属的逸出功 不同。
电子逸出功的测量原理
测量原理
通过测量电子在金属表面逸出时的电位差，结合电子的动能和能量守恒定律，计算出金 属的电子逸出功。
电位差测量
通过测量施加在金属样品上的正负电压，得到金属表面的电位差。
5.4金属电子溢出功的测量
1 I ~ log 2 T T
log
I T2
0.65 1.96
0.70 2.04
0.75 2.12
灯丝温度T/103K 1.72 1.80
3.外延法求零场发射电流 I
肖特基效应
在阳极和阴极间加一个加 速电场Ea (为什么？？) Ea 的存在使阴极表面的 势垒降低，因而逸出功减 小，发射电流增大，
0.439 E a Ia = I exp T 0.439 1 Ua ⇒lgIa =lgI + 2.30T r rln 2 1 r 1
灯丝电流I 灯丝电流 f ＋ 4 — 5
阳极电压U 阳极电压 a ＋ 1 — 6
【数据处理】
数据记录表
U
a
(V )
a
I
(A )
I
f
(A )
25
36
49
64
81
100 121 144
0.55 0.60 0.65 0.70 0.75
作图 lg I a ～ U a ,外延求零场电流I(T)
Ua
T (× 1 0 3 K )
5.4 金属电子逸出功的测量 (p146－151) －
北京工商大学物理实验室
【实验目的】 实验目的】
1) 了解热电子发射的基本规律。 了解热电子发射的基本规律。 2) 学习用里查逊直线法测量钨的逸出功。 学习用里查逊直线法测量钨的逸出功。 3) 学习外延测量法和补偿测量法等基本实验方法。 学习外延测量法和补偿测量法等基本实验方法。 4) 进一步学习数据处理的方法。 进一步学习数据处理的方法。
2. 里查逊直线法
2
eφ I = AST exp − kT I φ ⇒ lg 2 = lg AS − 5.039 ×103 T T
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在临界时，电子做圆周运动，半径 R=a/2，a 为阳极内半径，根据参数得 R=1.95*10-3m 螺线管线圈的磁感强度 B 与励磁电流有如下关系： ������ = ������ ′ ������������ 根据螺线圈参数可算得 B=2.95*10-2������������ (T) 所以������ ′ = 2.95 ∗ 10−2 根据公式： K=
������
������ 2 ∗ (������ 2) ∗ ������ ′ 2 ������
求得电子的比荷为：������ = 1.31 ∗ 1011 C/Kg 与公认值������ = 1.76 ∗ 1011 C/Kg，相对偏差 23%，误差较大，但是数量级是正确的。 误差分析： 1. 这种方法测定比荷有一定局限性； 2. 读取数据不够准确，可能数字存在跳动，可能仪器不够精确。 3. 选取 Ic 时误差很大，因为是人工取切线相交，必然存在很大误差，利用有误差的数 据进行拟合，又会加大误差。 4. 所取的数据可以再多一些，这样图像会更接近现实。
流 Is。 根据lg ������������ ������ 2 = lg ������������ − 5039 ∗ 位������，从而算得逸出功。
������
������ 可利用log ( ������ 2 ) ~1/T曲线的斜率算得电 ������， ������
2. 实验中如何测量阴极与阳极的电位差 答：实验中通过利用电压表一端连接补偿电极，另一端接阴极来测量 Ua，由此测 得阴极与阳极的电位差。 3. 实验中如何稳定温度 答：实验开始时需要使灯丝预热 10 分钟；测量时，每次转换灯丝电流都要等待几 分钟，直到灯丝电流不再变化；测量时应按灯丝电流增大方向进行。
图 6 不同阳极电压下的������������ ~������������ 关系曲线图 在每条曲线中引两条切线，交点的横坐标即临界状态下的电流������������ ，整理数据如下：
2 表 5 ������������ 、������������ 、������������ 数据
������������ /������ ������������ /A
0.575 0.600 0.625 0.650 0.675 0.700 0.725 0.750
做出log ������ ′ ������ ~ ������������ 关系图，如图 4：
图 4 log ������ ′ ������ ~ ������������ 关系图
每条直线的拟合结果如下表： 表 2 直线拟合数据表 拟合方程 Y1=0.00833x+1.397 Y2=0.00783x+1.677 Y3=0.00762x+1.940 Y4=0.00745x+2.191 Y5=0.00768x+2.427 Y6=0.00728x+2.651 Y7=0.00751x+2.862 Y8=0.00741x+3.062 相关系数 0.9419 0.9997 0.9946 0.9993 0.9990 0.9992 0.9990 0.9990 直线截距 1.397 1.677 1.940 2.191 2.427 2.651 2.862 3.062 截距误差 ± 0.018 ± 0.001 ± 0.005 ± 0.002 ± 0.002 ± 0.002 ± 0.002 ± 0.002
������
根据表中数据可知，除了 If =0.575A 时的 Y1，其余的都保持非常高的拟合程度，整 体拟合度都很高。 每条直线的截距即不同灯丝温度下零场热发射电流 IS 的对数，所以 IS=10������ ，且截距 误差很小，故可使用。 根据T = 920 + 1600������������ ,可以推算每个灯丝电流对应的灯丝温度。 ������ 做出log ( ������ ������ 2 )与1/T的数据表和关系图： ������ 表 3 log ( ������ 灯丝电流������������ /A 0.575 0.600 0.625 0.650 0.675 0.700 0.725 0.750 灯丝温度/T 1840 1880 1920 1960 2000 2040 2080 2120 )与1/T相关数据表格 发射电流������������ / A 2.4946E-05 4.7534E-05 8.7096E-05 0.00015524 0.0002673 0.00044771 0.00072778 0.00115345 log (������������ ������ 2 ) -11.1326 -10.8713 -10.6266 -10.3935 -10.1751 -9.96826 -9.77413 -9.59067
352 161 212 0 354 163 200 50 353 165 187 90
423 178 272 0 423 182 239 50 422 186 207 90
454 197 281 0
468 222 219
454 200 257 100 468 226 189 454 202 233 158 472 230 156
2 ������������ /A
4.00 0.146 0.0213
5.00 0.159 0.0253
6.00 0.174 0.0303
7.00 0.188 0.0353
2 图 7 ������������ ~������������ 曲线图
2 根据表格数据，拟合������������ ~������������ 曲线图，得出斜率 K=212.2 V/A2
2. 读取实验数据时，由于仪器原因，数据存在跳动，导致数据不够准确。 3. 可能灯丝加热时间不够。 思考题： 1. 本实验中需要测量哪些物理量？为什么？ 答：需要测量在外电场下的电子逸出电流 I’s，已知阳极电压、钨丝电流。根据 T = 920 + 1600������������ ，由钨丝电流算得灯丝温度，根据log ������ ′ ������ ~ ������������ 拟合得到零场发射电
拓展实验
������������ = 0.700A，阳极电压������������ ，阳极电流������������ (������������)，励磁电流������������ (������������)，数据获取如表 4： 表 4 不同阳极电压下的������������ 、������������ 数据 ������������ = 4.0 ������������ 0 50 70 90 ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ = 5.0 ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ = 6.0 ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ = 7.0 ������������ ������������ ������������
352 170 158 130 421 190 174 140 454 205 214 177 467 232 145
110 350 175 125 145 417 195 143 155 448 207 194 185 459 236 120 130 343 180 98 135 340 185 78 140 334 190 61 145 323 195 44 147 317 200 27 149 306 205 18 151 294 210 12 153 279 205 8 155 268 220 7 159 240 225 6 155 406 200 113 166 438 215 135 191 444 240 94 160 393 210 66 162 384 215 45 164 372 220 27 166 360 225 17 168 345 230 12 170 333 235 10 172 319 240 8 174 303 176 289 170 443 220 109 194 433 245 66 175 430 230 51 180 412 235 35 183 398 240 22 185 382 246 15 188 364 250 12 190 345 255 10 193 321 195 297 196 426 250 43 200 407 255 28 204 386 260 20 208 353 265 15 212 318 270 13 216 281 275 11 218 261 220 239
������ 2
1/T 0.000543 0.000532 0.000521 0.00051 0.0005 0.00049 0.000481 0.000472
������ 图 5 log ( ������
������ 2
) ~1/T关系图 ������
根据公式：lg ������������ ������ 2 = lg ������������ − 5039 ∗
金属电子逸出功的测量
陈柏宇 13341001 材料物理
合作人：党帅
数据处理
数据收集如下： 表 1 ������������ 、������������ 、������ ′ ������ 相关数据 If(A) Ua (V) I’S(μA) 25 27 52 95 169 292 487 793 1255 36 28 53 97 172 297 495 807 1278 49 29 54 98 175 303 504 822 1301 64 29 55 100 178 308 513 838 1325 81 30 56 102 181 314 522 852 1347 100 30 57 104 184 319 530 865 1368 121 31 58 106 187 324 539 879 1389 144 31 59 107 191 331 547 896 1417