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增补实验:金属电子逸出功的测定
【实验目的】
了解热电子发射的基本规律,验证肖特基效应;
学习用理查森直线法处理数据,测量电子逸出电位。
【实验原理】
二十世纪前半叶,物理学在工程技术方面最引人注目的应用之一是在无线电电子方面。无线电电子学的基础是热电子发射。当时名为热离子学的学科研究的就是热电子发射。它的创始人之一,英国著名物理学家查理森(Owen ,1879-1959),由于发现了热电子发射定律,即查理森定律,为设计合理的电子发射机构是指明了道路,其研究工作队无线电电子学的发展产生了深远的影响,因而荣获1928年诺贝尔物理学奖。
在真空玻璃管中装上两个电极,其中一个用金属丝做成(一般称为阴极),并通过电流使之加热,在另一个电极(即阳极)上加一高于金属丝的正电位,则在连接这两个电极的外电路中就有电流通过。有电子从加热的金属丝中射出,这种现象称为热电子发射。研究各种材料在不同温度下的热电子发射,对于以热阴极为基础的各种真空电子器件的研制是极为重要的,电子的逸出电位正是热电子发射的一个基本物理参数。
根据量子理论,原子内电子的能级是量子化的。在金属内部运动着的自由电子遵循类似的规律:;,即各电子是不可区分的;。根据现代的量子论观点,金属中电子的能量分布服从费米-狄拉克分布。在绝对零度时,电子数按能量的分布曲线如图1中的曲线(1)所示,此时电子所具有的最大动能为Wi,Wi所处能级又称为费米能级。当温度升高时,电子能量分布曲线如图1中的曲线(2)所示,其中少数电子能量上升到比Wi高,并且电子数随能量以接近指数的规律减少。
W
Wi
T= 0 K
T=1500K
dN/dW
图1电子能级分布曲线
W0
W
dN/dW
Wi
Wa
图2 势能壁垒图
由于金属表面存在一个厚约10-10米左右的电子-正电荷电偶层,阻碍电子从金属表面逸出。也就是说金属表面与外界之间有势能壁垒Wa,如图2,因此电子要从金属中逸出,必须具有至少大于Wa的动能,即必须克服电偶层的阻力作功,这个功就叫电子逸出功,以W0表示,显然W0 = Wa - Wi = e0 φ。W0的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的给予的能量。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,单位为伏特(V)。
有上述可知: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,使动能大于Wi的电子增多,从而使动能大于Wa的电子数达到一可观测的大小。可见,逸出功的大小对热电子的发射强弱有决定性的作用。
根据以上理论,可以推导出热电子发射的查理森-杜旭曼()公式
Ie = A S T2 e - ( e0φ/ kT ) (1)
式中:Ie为热电子发射的电流强度,单位为安培; S为阴极金属的有效发射面积,单位为cm2; T为热阴极绝对温度,单位为K;e0 φ为阴极金属的逸出功,单位为电子伏特;k为波尔兹曼常数k = *10-23(J*K);A为与阴极化学纯度相关的系数。(1)式即为本实验的理论依据。从原则上看,似乎只要能测出式中有关的Ie、S、A、及T等物理量,就可以求出逸