金属电子逸出功测量实验报告_图文
金属电子逸出测定实验报告(精)
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。
逸出功的测定
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级： 姓名： 同组者： 教师：实验 1-4 逸出功的测定【实验目的】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。
【实验原理】如图1-4-1所示。
电子从加热金属中发射出来的现象，称热电子发射。
1、 电子的逸出功根据固体物理学中金属电子理论，金属中传导电子的能量分布按费米-狄拉克(Fermi-Dirac )分布，即：1)2(421233＋π＝－kT W W Fe W m hdWdN 式中W F 称费米能级。
在绝对零度时，电子的能量分布如图1-4-2中的曲线(1)所示。
此时电子所具有的最大动能为W F 。
当温度升高时，电子的能量分布如图1-4-2中的曲线(2)所示。
其中少数电子具有比W F 高的能量，并以指数规律衰减。
由于金属表面与外界(真空)之间存在势垒W b ，如图1-4-3。
电子要从金属逸出，必须至少有能量W b 。
从图1-4-3可看出，在绝对零度时，电子逸出金属表面，至少需要得到能量W 0＝W b 一W F ＝e φ （1-4-2）可见，热电子发射，就是利用提高阴极温度的办法，改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量大于W b ，从金属中发射出来。
2、热电子发射公式图1-4-1 真空二极管工作原理图1-4-2 费米能量分布曲线 图1-4-3 金属表面势垒根据费米-狄拉克能量分布公式(1-4-1)，可以推导出热电子发射公式，称里查逊-杜什曼(Richardson-Dushman )公式。
kTe eAST I Φ－＝20 (1-4-3)将(1-4-3)式两边除以T 2，再取对数，得到T 1004.5AS lg kT 30.2e AS lg TI lg320Φ－＝Φ－＝ (1-4-4) 从得到的直线斜率即可求出电子的逸出功e φ值。
4、发射电流I 0的测量(1-4-3)式中的I 0是不存在外电场时的阴极热发射电流并在空间堆积。
金属电子逸出功的测量分析-中山大学物理学院2016
0.10
0.08
I a =0.319-0.751 I S
0.06
0.04
0.02 0.15
I C 0.2878 A
0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 IS A
图 8、2.0V 阳极电压下的临界电流 I c 6/8
物理学院
Ia mA 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02
1、 逸出功的测量
实验测得阳极电压 U a 、阳极电流 I a 以及相应的灯丝电流 I f 的数据如下表 1：
表 1、
U a （V）
I a （mA）
25 0.032 0.060 0.107 0.189 0.323 0.536 0.873 1.378
36 0.033 0.062 0.110 0.193 0.330 0.546 0.890 1.407
物理学院
近代物理实验 I
金属电子逸出功的测量分析
13 级材料物理 合作人： 实验时间：2016.11.29、2016.12.6
一、 实验目的
1、 了解费米-狄拉克量子统计规律； 2、 理解热电子发射规律和掌握逸出功的测量方法； 3、 用里查逊直线法分析阴极材料（钨）的电子逸出功。
二、 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。 1、 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
100 0.036 0.066 0.118 0.207 0.352 0.584 0.948 1.505
逸出功测量实验报告
逸出功测量实验报告《逸出功测量实验报告》实验目的：本实验旨在通过测量金属表面的逸出功，探究不同金属的电子逸出能力，从而了解金属的电子结构特性。
实验原理：逸出功是指克服金属内部电子相互作用力，使电子从金属表面逸出所需的能量。
通过光电效应实验，可以测量出金属表面的逸出功。
当金属表面受到光的照射时，光子的能量可以激发金属内部的电子，使其逸出金属表面。
根据光电效应的原理，逸出电子的动能与光子的能量之差等于金属表面的逸出功。
实验步骤：1. 准备不同金属的样品，如铝、铜、铁等。
2. 使用光电效应仪器，将金属样品置于光电管的阳极上。
3. 调节光源的波长和强度，照射金属表面，使金属表面的电子被激发逸出。
4. 测量逸出电子的动能，根据光子的能量和逸出电子的动能的关系，计算出金属表面的逸出功。
实验结果：通过实验测量，得到了不同金属表面的逸出功数据。
发现不同金属的逸出功存在一定差异，这与金属的电子结构有关。
通常来说，逸出功较小的金属具有更好的导电性和热导性，因为它们的电子更容易逸出金属表面。
实验结论：通过本次实验，我们深入了解了金属的电子结构特性，了解了不同金属的逸出功差异。
这对于材料科学和工程应用具有重要意义。
同时，本实验也展示了光电效应在材料研究中的重要应用价值。
总结：逸出功测量实验是一项重要的材料性能测试方法，它可以帮助我们了解金属的电子结构特性，为材料科学的研究和工程应用提供重要参考。
希望通过本次实验，同学们能够更加深入地了解材料的特性和性能，为未来的科学研究和工程创新做出更大的贡献。
逸出功的测量实验报告
逸出功的测量实验报告
《逸出功的测量实验报告》
在物理学中，逸出功是指从金属表面逸出的最小能量。
测量逸出功对于理解金
属的电子结构和性质具有重要意义。
本实验旨在通过实验方法测量金属的逸出功，并对实验结果进行分析。
实验过程中，我们选择了几种常见金属作为实验样品，包括铜、铝、铁等。
首先，我们将金属样品放置在真空室中，并通过加热或光照的方式激发金属表面
的电子。
随后，我们使用逸出功仪器测量金属表面逸出的电子能量，并记录实
验数据。
通过实验数据的分析，我们发现不同金属的逸出功存在一定的差异。
这一结果
与理论预期相符，因为不同金属的电子结构和束缚能会影响逸出功的大小。
此外，我们还发现逸出功与金属的表面特性和处理方式有关，例如金属的晶格结构、表面粗糙度等因素也会对逸出功产生影响。
通过本次实验，我们不仅成功测量了几种常见金属的逸出功，还深入了解了逸
出功与金属性质之间的关系。
这些实验结果对于深入理解金属的电子结构和应
用于光电器件等领域具有重要意义。
总的来说，本次实验为我们提供了一种简单而有效的方法来测量金属的逸出功，并为我们提供了更深入的认识金属性质的机会。
我们相信通过不断的实验探索
和理论分析，我们将能够更好地理解金属的电子结构和性质，为相关领域的研
究和应用提供更多的参考和支持。
3-11金属电子逸出功的测定
实验3.11金属电子逸出功的测定金属电子逸出功（或逸出电势）的测定实验, 综合性地应用了直线测定法、外延测量法等基本实验方法, 在数据处理方面有比较好的技巧性训练。
从实际意义来看, 很多电子器件都与电子发射有关, 如电视机的电子枪, 它的发射效果会影响电视机的质量, 因此研究这种材料的物理性质, 对提高材料的性能是十分重要的。
【实验目的】1. 了解热电子发射的基本规律2. 用理查孙直线法测定金属钨电子的逸出功（或逸出电位）。
3. 学习直线测量法、外延测量法等基本实验方法。
【实验仪器】1. 仪器的结构和特点W-Ⅲ型电子逸出功测定仪: 不带光测高温计, 灯丝温度根据灯丝电流换算确定, 全套仪器包括: 理想二极管及测试台；专用稳压电源及数字显示电压、电流表；励磁螺线管专用电源（主机）等部分组成, 标准机箱结构。
2. 使用说明（1）将仪器面板上的3个电位器逆时针旋到底。
（2）将主机背板的插孔和理想二极管测试台的插孔用红黑连接线按编号一一对应接好（请勿接错）。
（3）接通主机电源开关, 开关指示灯和数字表亮。
（4）调节相应的灯丝电流和电压。
（5）从数字表上读出灯丝电流、阳极电压、阳极电流和励磁电流, 进行数据处理。
（6）仪器面板如图3-49所示。
图3-49 仪器面板3. 理想二极管本实验是测定钨的逸出功, 所以把钨做成二极管的阴极, 如图3-50所示, 阴极K是用纯钨丝做成, 阳极是用镍片做成圆筒形电极。
在圆筒上有一个小孔, 以便用光测高温计测定灯丝温度, 为了避免阳极两端因灯丝温度较低而引起的冷端效应和电场的边缘效应, 故在阳极上下端各装一个栅环电极B（或称保护电极）与阳极加相同电压, 但其电流不计入阳极电流中, 这样使其成为理想二极管。
理想二极管是一种进行了严格设计的理想器件, 这种真空管采用直热式结构。
为了便于进行分析, 电极的几何形状一般设计成同轴圆柱形系统。
【实验原理】1. 电子的逸出功及热电子发射在通常温度下, 由于金属表面和外界之间存在着势垒, 所以从能量角度看, 金属中的电子是在一个势阱中运动, 势阱的深度为Eb。
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。
实验02 金属逸出功的测量
实验02 金属逸出功的测量金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子逸出功。
研究电子逸出是一项很有意义的工作，很多电子器件都与电子发射有关，如电视机的电子枪，它的发射效果会影响电视机的质量，因此研究这种材料的物理性质，对提高材料的性能是十分重要的。
一 实验目的1 用里查逊(Richardson)直线法测定钨的逸出功2 学习图表法数据处理。
二 实验原理电子从金属中逸出，需要能量。
增加电子能量有多种方法，如用光照、利用光电效应使电子逸出，或用加热的方法使金属中的电子热运动加剧，也能使电子逸出。
本实验用加热金属，使热电子发射的方法来测量金属的逸出功。
图1所示的真空二极管阴极(用被测金属钨丝做成)通电流加热，并在阳极上加以正电压，在连接这二个电极的外电路中将有电流通过．这种电子从加热金属线发射出来的现象，称为热电子发射。
研究热电子发射的目的之一，是选择合适的阴极材料。
诚然，可以在相同加热温度下测量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。
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，是带有根本性的工作，因而更为重要。
在常温下金属表面与外界(真空)之间存在一个势垒Wa ，所以电子要从金属中逸出必须至少具有能量Wa ，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Φ=-=e WW W fa 00W 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．Φ称为逸出电位，其数值等于以电子伏特表示的电子逸出功．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Wa ，使电子能够从金属中发射出来．因此，逸出功的大小对热电子发射的强弱具有决定性作用．热电子发射公式根据费米－狄拉克能量分布公式，可以导出热电子发射的里查逊—杜什曼(Richar-dson-Dushman)公式：kTe e AST I Φ-=2（1）式中 I 为热电子发射的电流强度，单位为A ；A 为和阴极表面化学纯度有关的系数，单位为22C cm A ⋅；S 为阴极的有效发射面积，单位为2cm ；k 为玻尔兹曼常数(k ＝1.38×2310-J/K)．原则上只要测定I ，A ，S 和T ，就可以根据式(1)计算出阴极材料的逸出功，但困难在于A 和S 这两个量是难以直接测定的，所以在实际测量中常用下述的里查逊直线法，以设法避开A 和S 的测量．三 测量原理与方法1 查逊直线法应用里查逊直线法，将式(1)两边除以2T ，再取对数得到T AS KT e AS TI 11004.5log 30.2log log32Φ⨯-=Φ-= （2）从式(2)可以看出, 2logTI与1/T 成线性关系．如果以2logTI 作纵坐标，以1/T 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Φ，从而求出电子的逸出功e Φ．这个方法叫做里查逊直线法，它的好处是可以不必求出A 和S 的具体数值，直接从I 和T 就可以得出Φ的值，A 和S 的影响只是使2log TI ——1/T 直线平行移动．这种实验方法在实验、科研和生产上都有广泛应用． 2 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阳极，必须在阴极和阳极间外加一个加速电场Ea ．然而由于Ea 的存在使阴极表面的势垒Eb 降低，因而逸出功减小，发射电流增大．这一现象称为肖脱基(Scholtky)效应．可以证明，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：TEaa eI I 439.0⨯= （3）式中，Ia 和I 分别是加速电场为Ea 和零时的发射电流．对式(3)取对数得a a E TI I 30.2439.0log log += （4）如果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121r r Inr U E a a =（5）式中，r1和r2分别为阴极和阳极的半径，Ua 为加速电压．将式(5)代入式(4)得a a U r r Inr TI I 122130.2439.0log log += （6）由式(6)可见，在一定的温度T 和管子结构下，a I log 和a U 成线性关系．如果以a I log 为纵坐标，以a U 为横坐标作图，此直线的延长线与纵坐标的交点为I log ．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(如图2所示).综上所述，要测定金属材料的逸出功，首先应该把被测材料做成二级管的阴极．当测定了阴极温度T ，阳极电压Ua 和发射电流Ia 后，通过数据处理，得到零场电流I ，然后即可求出逸出功e Φ(或逸出电位Φ)来了．四 实验内容与操作本实验仪器比较简单、直观，依据图11 将仪器面板上的三个电位器逆时针旋到底。
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此式是测量零级电流的基本公式。
对于一定尺寸的二极管，当阴极的温度T 一定时，
a I lg 和a U 成线性关系。
如果
以a I lg 为纵坐标、
以a U 为横坐标作图，这些直线的延
长线与纵坐标的交
点为lg I ，如图
3.11-5所示。
求反对数，可求出在一定温度下的零场电流I 。
测量数据与数据处理：
1. 按照图3.11-6连接好实验电路，接通电源，预热十分钟。
2. 调节理想二极管灯丝电流f I 在0.55-0.75A 之间，每隔0.05A 进行一次测量。
如果阳极电流a I 偏小或偏大，也可适当增加或降低灯丝电流f I 。
对应每一灯丝电流，在阳极上加上25V ，36V ，49V ，64V ，…，144V 电压，各测出一组阳极电流a I 。
记录数据于表
3.11.2中，并换算至表3.11.3。
3. 根据表 3.11.3
中的数据，作出lg a a I U :图线。
求出截距I lg ，即可得在不同阴极温度
时的零场热电子发射电流I ，并换算至表3.11.4。
图3.11-6 实验电路图
图3.11-5 外推法求零场电流 0 5 10 1T 2T 3T 4T 5T 54.......i T T T >>>lg a I a U lg I
25 36 49 64 81 100 121 144 0.55
5 5 5 5 5 5 5
6 0.60 20
20 21 21 21 22 22 23 0.65 69
70 72 73 74 75 76 78 0.70 210
213 217 220 224 227 232 235 0.75
558 569 580 591 601 613 625 637 a U (V) a I (10-6A)
f I (A)
表3.11.2 在不同阳极加速电压和灯丝温度下的阳极电流
虎极博.jihudi. n9svNzQ40GOx。