物理金属电子逸出功的测量实验数据处理
金属电子逸出功的测定实验报告
金属电子逸出功的测定实验报告金属电子逸出功的测定实验报告引言：金属电子逸出功是指金属表面的电子脱离金属表面所需的最小能量。
测定金属电子逸出功对于理解金属的电子结构以及应用于光电子学等领域具有重要意义。
本实验旨在通过测定金属电子逸出功的实验方法，探究金属电子的逸出行为，并分析其与金属表面性质的关系。
实验材料与仪器：本实验使用的材料为常见的金属样品，如铜、铝等。
实验所需仪器包括电子能谱仪、真空系统、光源等。
实验步骤：1. 准备金属样品：选择适当的金属样品，并将其表面清洗干净，以确保实验结果的准确性。
2. 搭建实验装置：将金属样品放置于真空系统中，确保系统处于良好的真空状态。
调整光源的位置和强度，以保证实验的可靠性。
3. 测定电子能谱：通过电子能谱仪测定金属样品的电子能谱曲线。
在实验过程中，可以调整光源的波长和强度，以获得不同能量下的电子能谱数据。
4. 分析数据：根据电子能谱曲线，确定金属电子的逸出功。
通过计算能量差值，可以得到电子逸出所需的最小能量。
结果与讨论：根据实验数据，我们可以得到不同金属样品的电子逸出功数值。
通过对比不同金属的逸出功，我们可以发现金属的电子逸出功与其物理性质之间存在一定的关系。
首先，金属的电子逸出功与其导电性能有关。
一般来说，导电性能较好的金属具有较低的电子逸出功，因为其电子更容易脱离金属表面。
相反，导电性能较差的金属则具有较高的电子逸出功，因为其电子与金属原子之间的束缚力较强。
其次，金属的电子逸出功与其晶格结构有关。
晶格结构较紧密的金属通常具有较高的电子逸出功，因为其表面原子对电子的束缚力较大。
相反，晶格结构较疏松的金属则具有较低的电子逸出功，因为其表面原子对电子的束缚力较小。
此外，金属的电子逸出功还与其表面的化学性质有关。
金属表面的氧化物、硫化物等化学物质会影响金属电子的逸出行为。
一般来说，金属表面存在氧化物等化学物质时，电子逸出功会增加，因为这些化学物质会增加电子与金属原子之间的相互作用力。
金属电子逸出功的测定
金属电子逸出功的测定
05112 杨昊庆10.23
一、实验数据的记录与处理
4.计算
逸出电压U=K/(-5.04E03)=-22639/(-5.04E03) V=4.492V
逸出功eU=4.429 eV
理论值eU’=4.54 eV
相对误差E=2.5%
二、实验的反思感悟与总结
1.造成误差可能的原因：
①改变电流值的时候，灯丝可能没有达到预定温度；
②Ia的调节不太好调，导致Ua不稳就读数；
③开始时预热不充分；
④可能是阳极电压偏低或灯丝电压必读数偏高，导致测量值小于理论值。
2.里查逊直线的优点：
不用知道B和S的数值，就可以求出逸出功，这种思想应该牢牢掌握。
3.excel处理实验数据的优越性：
计算机处理数据要方便的多，在这个实验上有深刻的体现，excel能自动画图并精准的算出线性回归方程，省时又省力。
4.感悟
这个实验的操作很简单，在excel的帮助下数据处理也很简单，而且没有不确定度的计算，可以说是本学期最简单的实验之一。
但是有两点让我感触很深。
一是里查逊直线的思想，二是君子生非异也，善假于物，一定要好好掌握计算机技术的应用。
处理金属逸出功实验数据的三种方法
１６ ９
－ ． ４ ４０ ４
２４ ０
— ３ ３５ ７
２２ １
－ ．２ ３１ １
ｎ和 ｒ分别为阴极和 阳极 的半径 ， 为 阳极 电压 ， 为 阴极发射 ２ ， 电流 。式 （ ） 以看 出， 阴极温度及管子结构一定 的情况下 ， ， 与 １可 在 ｌ ｇ
１ 一． ～． —． —． — ７ ｇ 告 １９ １３ １２ １５ ９３ １３ １２ ０９ ０６ ． ５ １ ６ １ ７
根据 肖特基 （ｃ ０ ｋ ） 系式 可得出在一定 温度 Ｔ时 ｓ ｈｔ ｖ 关 ｔ 阴极发射电流、 与加速 电压的关系式
表 ３ 不 同灯丝温度时的零场 电流及其换算值
ｌ 器 ｇ ，
（ １ ）
Ｔ ｘ０） （ ｌｋ
ｌ
ｌＯ ８
－ ．８ ５０ ２
１８ ８
— ．８ ４５ ５
１ ｅ ＝ ｇ － ｇ ｌ ｌＡＳ ５
ｒ ．
．
０９１ 等 ３ｘ０ ３
（） ２
式 中：——热 电子发射的电流强度 （ 安培 ）卜 ； 热阴极的绝对 温度 （ ） 开 ； 阴极金 属的有效 发射面 积 （ 米 ：； ——与阴极 化 厘 ）Ａ 学纯度有关 的系数 ： 由于 Ａ与 对某一 固定材料 的阴极来说是 常数 ．
— — —
１８ ８ １６ ９ ２４ ０ ２０ １
－ ．７ ７ — ．６ ６ — ． ９ — ． ｌ ４ ５ ４２ ７ ４２ ６ ２ ５ ４２ ８ — ４ － ．３ ６ － ．２ １ － ． １ ５ ４２ ４１ ４ ２ ６ ４２ ９ ４２ ８ ２ — ．４ １ — ． ７ － ． ０ — ． ３ ３ ７ ３７ ５ ７ ３ ３７ ５ ３ ３７ ５ — ．１ ７ － ．Ｏ ９ － ．０ ３ － ９ ８ ２ ３ ６ ３７ ９ ３７ ３ ３６ ６ ７ — ．８ ７ － ． ２ — ． ６ － ． ｌ ３２ ０ ３２ ５ ７ ３２ ０ ６ ３２ ２ — ．５ ７ － ．５ ３ — ． ｌ ９ — ３ ６ ６ ３ ５ ３２ ０ ３２ １ ３２ ９ ２ — ．６ ７ — ． Ｏ － ． ３ － ． ６ ２８ ９ ２８ ４ ６ ２８ ３ ５ ２８ ８ — ４ １ － ．３ ４ — ．３ ９ － ． ５ ４ ２８ ３ ２８ ７ ２８ ０ ２８ ９ ２
金属电子逸出功的测定的计算机数据处理
识， 主要因为数据处理过程 比较繁杂 ， 但其又是 比
较重要 的知识点 。如果 能够 利用 简单 的数据 处理 软件 ， 使 数 据处 理 程序 化 ； 同时 ， 又 不失 数 据 处理 过程 的直观 性 ， 这 对 大 学 物 理教 学 将 有 重要 的推 动作 用 。金 属 电子逸 出功 的测定 是大 学物理 实验
ｌ ｇ ／ 一 ｌ ｇ Ｉ 。 ＋
（ ２ ）
将 上式两 边 除 以 Ｔ ２ ， 取 对数 得 ：
ｌ ｇ （ Ｉ ｏ ／ Ｔ 。 ）＝ ＝ ＝ｌ ｇ （ Ａ Ｓ） 一 ／ ２ ． ３ ０ ＫＴ
—
／ Ｔ （ ５ ）
ｌ ｇ （ Ａ Ｓ） 一５ ． ０ ４× １ ０ 。 ／ Ｔ
金属材料有不同的逸 出功， 逸 出功对热电子发射
图２ 二极 管 电子 电流 曲线
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ １ — １ ８
基金项 目： 贵州省科学技术基金 （ 黔科合 Ｊ 字Ｅ ２ ０ １ ２ ￣ ２ １ ４ ０ 号） ； 贵州大学青年基金 （ ２ Ｏ １ Ｏ 一１ １ ）
金 属 电子 逸 出功 的测 定 的计 算 机 数 据 处理
白光富 ， 王 国振 ， 陈 涛
（ 贵州大学 ， 贵州 贵 阳 ５ ５ ０ ０ ２ ５ ）
摘 快捷 。 关 键
要： 通过测量金属 电子逸 出功 实 验 ， 通过 简单 软件 进行 数据 处 理 ， 使实 验数 据处 理更 直 观 ， 词： 大学 物理 实验 ； 金属电子逸出功 ； 数据处理 文献标志码 ： Ａ
也与阴极材料有关 。 本实验是测定钨的逸 出功＿ ４ ］ 。
_金属电子逸出功测定_实验数据处理的新方法
第17卷第3期大 学 物 理 实 验 V ol.17N o.32004年9月出版PHY SIC A L EXPERI ME NT OF C O LLEGESep.2004收稿日期:2004-04-20文章编号:1007-2934(2004)03-0049-02“金属电子逸出功测定”实验数据处理的新方法彭庶修 占俐琳 吴汉水(景德镇陶瓷学院,景德镇,333001)摘 要 介绍了使用EXCE L2000软件中的三个函数,处理“金属电子逸出功的测定”实验数据的新方法,所得数据准确可靠。
关键词 逸出功;数据处理;新方法中图分类号:O442 文献标识码:A金属电子逸出功的测定实验,综合性地应用了直线测量法、外延测量法和对数图解法等基本实验方法。
在数据处理方面有比较好的技巧性训练。
因此,这是一个比较有意义的物理实验,在国内外,为多数工科院校所开设。
南京培中科技开发研究所研制的WF —1型电子逸出功测定仪,性能稳定,测量准确。
很适合工科院校物理实验教学中,作为综合性近代物理实验项目开出。
其原实验数据处理使用作直线求截距、斜率的方法,工作量大、费时。
若使用通用计算机软件,则简便、计算具有科学性。
1 实验原理简述将被测的金属材料制成理想二极管的灯丝(WF —1型实验仪用钨材料),通以电流加热,有热电子发射。
热电子发射公式为理查逊—杜西曼(Richards on -Dushm on )公式:I =AST 2exp [-e </KT ](1)其中:I —热电子发射的电流强度,单位为安培;A —与阴极化学纯度有关的系数,单位为安培/厘米2度2;S —阴极的有效发射面积,单位为平方米;K —玻尔兹曼常数(K =1.38×10-23焦尔/开);T —绝对温度,单位为开;e <—电子逸出功,单位为电子伏特。
实际测量中常用下述的理查逊直线法,以设法避开A 和S 的测量。
将(1)式两边除以T 2,再取对数得LogI T2=LogAs -e <2.30K T =LogAs -5.04×103<1T —94—从式(2)可看出,log IT2与1T成线性关系。
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。
金属电子逸出功的理论及实验分析
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。
金属逸出功的测定实验报告
金属逸出功的测定实验报告实验报告：金属逸出功的测定
实验目的：
测量金属样品逸出功，了解电子在固体中的行为。
实验原理：
由于金属中的自由电子在金属晶格中自由活动，部分自由电子受到金属表面原子的束缚而不能逃离金属，此时需要施加外力才能使电子逸出。
逸出功就是从固体表面逸出一个电子所需要的最小输入能量。
实验器材：
安全电源、万用表、电磁锁、样品台、吸附剂、金属样品
实验步骤：
1. 将金属薄板用吸附剂粘附在样品台上，确保金属样品表面平整。
2. 将电磁锁接上安全电源，连接万用表。
3. 将电磁锁固定在金属样品表面，开始施加外力。
4. 当万用表显示电压达到一定数值时，电磁锁会因为施加的外力而松开，此时电磁锁消耗的电能就是金属的逸出功。
5. 重复以上步骤3-4多次，取平均值做为测量结果。
实验数据记录：
1. 金属样品：铜板
2. 测量数据：
次数电磁锁瞬间消耗电能/mJ
1 2.7
2 2.8
3 2.6
4 2.7
5 2.9
平均值 2.74
实验结果分析：
根据以上实验数据，可以得到铜的逸出功约为2.74mJ。
由于金属逸出功与温度和样品表面的杂质有关，因此在实验中应保证样品的温度和表面的洁净度。
实验结论：
本实验通过施加外力，测量电磁锁消耗的电能，得到了铜的逸出功约为2.74mJ。
参考文献：
1. 高等物理实验教学指导委员会.《高等物理实验·第二册》.北京:高等教育出版社,2008.。
金属电子逸出功的测定实验报告
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。
钨的逸出功实验报告数据处理
钨的逸出功实验报告数据处理一、实验目的本实验旨在通过测量不同温度下钨的热电子发射电流，确定钨的逸出功，并加深对热电子发射现象和相关物理概念的理解。
二、实验原理根据热电子发射定律，金属中的自由电子在温度升高时，动能增大，部分电子具有足够的能量克服表面势垒而逸出金属表面，形成热电子发射电流。
热电子发射电流密度＄j$ 与温度＄T$ 之间的关系遵循理查森杜什曼（RichardsonDushman）方程：＼j ＝ A_0T^2e^｛＼frac{＼varphi}｛kT}｝＼其中，＄A_0$ 是与金属材料有关的常数，＄＼varphi$ 为金属的逸出功，＄k$ 为玻尔兹曼常数。
对上述方程两边取对数，可得：＼＼ln j ＝＼ln A_0 ＋ 2\ln T ＼frac{＼varphi}｛kT}＼若以＄＼ln j$ 为纵坐标，＄＼frac{1}｛T}＄为横坐标作图，可得一条直线。
直线的斜率为＄＼frac{＼varphi}｛k}＄，截距为＄＼lnA_0 ＋ 2\ln T$。
通过测量不同温度下的热电子发射电流，进行数据处理和直线拟合，即可求得钨的逸出功＄＼varphi$。
三、实验仪器1、热电子发射实验仪：包括钨丝阴极、阳极、加热电源、测量电路等。
2、温控仪：用于精确控制钨丝的温度。
3、数字电流表：测量热电子发射电流。
四、实验步骤1、连接实验仪器，确保电路连接正确无误。
2、开启温控仪，设置升温程序，使钨丝温度逐渐升高。
3、在不同温度下，记录数字电流表的读数，即热电子发射电流值。
4、测量足够多的数据点，以保证数据的准确性和可靠性。
五、实验数据记录｜温度＄T$ （K)｜热电子发射电流＄j$ （＄＼mu A$）｜｜｜｜｜1800|12|｜1900|28|｜2000|56|｜2100|98|｜2200|165|｜2300|257|｜2400|382|六、数据处理1、计算＄＼ln j$ 和＄＼frac{1}｛T}＄的值：｜温度＄T$ （K)｜热电子发射电流＄j$ （＄＼mu A$）｜＄＼ln j$ ｜＄＼frac{1}｛T}＄（＄＼times 10^｛－3} K^｛－1}＄）｜｜｜｜｜｜｜1800|12|01823|5556|｜1900|28|10296|5263|｜2000|56|17228|5000|｜2100|98|22833|4762|｜2200|165|28074|4545|｜2300|257|32472|4348|｜2400|382|36428|4167|2、以＄＼ln j$ 为纵坐标，＄＼frac{1}｛T}＄为横坐标，绘制散点图。
逸出功的测量
逸出功的测量一、实验目的:用里查孙直线法测定阴极材料（钨）的电子逸出功；通过实验, 了解热电子发射的规律和掌握逸出功的测量方法。
二、实验原理:热电子发射的里查孙-德希曼公式:()()2121a i W W kTe e J R AT e --=- （*）其中 为单位面积的发射电流, 为该金属的逸出功, 单位是电子伏特, 是普适常数, , k 是波尔兹曼常数, m 为电子质量, h 为普朗克常数, 为金属表面对发射电子的反射系数, T 为热力学温度。
若令 , 则上式可改写成:02e kTe J AT e φ-=于是可得发射电流 的公式为: , S 为阴极金属的有效发射面积。
三、测量及数据处理:1.A 与S 两个量的处理将（*）式除以 再取以10为底的常用对数, 得()021lglg 2.303e I e AS T kTφ=- 采用国际单位制并将 和k 的数值代入, 得()32lglg 5.30910e I AS T Tφ=-⨯ 2、 可看出 和 呈线性关系, 若以 和 作为纵横坐标, 直线的斜率可定出 。
3、 发射电流e I 的测量通常, 在加速场 的作用下, 阴极发射电流 和 有如下关系:Tee I I e '=与 分别为在加速场 及 =0时的发射电流。
取以10为底的对数, 得:lg lg ee I I '=+把阳极作成圆柱形, 并与阴极共轴, 忽略小量, 得:lg lg ee I I '=4、 其中 和 为阴极和阳极的半径, 为阳极电压。
可见, 在阴极温度一定的情况下, 与呈线性关系。
画出其关系曲线, 并将其外推至0处, 由此可定出 值。
5、 温度T 的测量本实验通过测量阴极加热电流来确定温度。
通过查表或从曲线上可查出与电流对应的温度。
四、仪器装置:1、直热式二极管, 阴极为纯钨丝。
2.实验所用仪器及规格 灯丝电源 约为0V~5V 电流表 量程1A, 测灯丝电流 数字电压表 0mV~200mV , 四位半读数实验板[甲] 安装有标准二极管, KH 已经并联上有两个相同电阻 串联而成的电阻。
物理金属电子逸出功的测量实验数据处理
金属电子逸出功的测量一、实验目的1．了解热电子的发射规律，掌握逸出功的测量方法。
2．了解费米—狄拉克量子统计规律，并掌握数据分析处理的方法。
二、实验原理（一）电子逸出功及热电子发射规律热金属内部有大量自由运动电子，其能量分布遵循费米－狄拉克量子统计分布规律，当电子能量高于逸出功时，将有部分电子从金属表面逃逸形成热电子发射电流。
电子逸出功是指金属内部的电子为摆脱周围正离子对它的束缚而逸出金属表面所需的能量。
逸出功为0a f W W W =- ，其中为a W 位能势垒，f W 为费米能量。
由费米—狄拉克统计分布律，在温度0T ≠，速度在~v dv 之间的电子数目为：2()/12()1f W W kT m dn dv h e -=+ （1）其中h 为普朗克常数，k 为波尔兹曼常数。
选择适当坐标系，则只需考虑x方向上的情形，利用积分运算22/2/21/22()y z mv kTmv kT y z kT edv e dv mπ∞∞---∞-∞==⎰⎰ (2) 可将（1）式简化为22//234f x W kT mv kTx m kT dn e e dv hπ-=⋅ (3) 而速度为x v 的电子到达金属表面的电流可表示为x dI eSv dn = （4）其中S 为材料的有效发射面积。
只有x v ≥将（3）代入（4~∞范围积分，得总发射电流kT e s e AST I /2ϕ-= (5)其中234/A emk h π=，(5)式称为里查逊第二公式。
（二）数据测量与处理里查逊直线法：将(5)式两边同除以T 2后取对数，得()32lg lg 5.03910s I AS T Tϕ=-⨯ (6)由（6）知2lg(/)s I T 与1/T 成线性关系，只需测量不同温度T 下的s I ，由直线斜率可求得φ值，从而避免了A 和S 不能准确测量的困难。
发射电流s I 的测量：为有效收集从阴极材料发射的电子，必须在阴极与阳极之间加一加速电场E a 。
逸出功的测量实验报告
#### 一、实验目的1. 理解热电子发射的基本规律。
2. 掌握理查逊直线法测量金属逸出功的方法。
3. 学习数据处理和图表分析方法。
#### 二、实验原理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。
因此，电子逸出金属时需要提供一定的能量，这个能量称为电子逸出功。
本实验通过加热金属，使其发生热电子发射，从而测量金属的逸出功。
实验中，利用理查逊直线法测量金属的逸出功。
该法基于以下原理：当金属阴极温度升高时，电子从金属表面逸出的概率增加，逸出电子的能量分布也随之改变。
根据热电子发射的规律，可以得出以下关系式：\[ I = I_0 \left( \frac{T}{T_0} \right)^n e^{-\frac{W_0}{kT}} \]其中，\( I \) 为热发射电流，\( I_0 \) 为温度 \( T_0 \) 下的热发射电流，\( T \) 为实际温度，\( W_0 \) 为金属的逸出功，\( k \) 为玻尔兹曼常数。
通过改变阴极温度，测量不同温度下的热发射电流，以绘制 \( \frac{1}{I} \) 与 \( \frac{1}{T} \) 的关系图，从而得到直线的斜率 \( m \)，进而计算出金属的逸出功 \( W_0 \)。
#### 三、实验仪器1. 金属电子逸出功测定仪（包括二极管灯丝温度测量系统、专用电源、显示测量电压电流的数字电表）。
2. 理想标准二极管。
3. 温度计。
4. 恒温水浴。
#### 四、实验步骤1. 将金属阴极（钨丝）放入恒温水浴中，调整温度至 \( T_0 \)。
2. 在金属阴极和阳极之间施加电压，使二极管导通。
3. 记录此时阴极的温度 \( T_0 \) 和对应的电流 \( I_0 \)。
4. 改变恒温水浴的温度，分别记录 \( T_1, T_2, \ldots, T_n \) 和对应的电流\( I_1, I_2, \ldots, I_n \)。
金属电子逸出功的测定实验报告
金属电子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电子逸出功。
二、实验原理1、热电子发射金属中的自由电子在一定温度下会具有足够的能量，克服表面势垒而逸出金属表面，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电流密度＄j$ 与金属表面温度＄T$ 之间的关系遵循理查逊杜什曼定律：＼j ＝ A T^2 e^｛＼frac{e\varphi}｛kT}｝＼其中，＄A$ 是与金属材料性质有关的常数，＄e$ 是电子电荷量，＄k$ 是玻尔兹曼常数，＄＼varphi$ 是金属的逸出功。
3、逸出功的测定对上述公式两边取对数，得到：＼＼ln\frac{j}｛T^2} ＝＼ln A ＼frac{e\varphi}｛kT}＼若以＄＼ln\frac{j}｛T^2}＄为纵坐标，＄＼frac{1}｛T}＄为横坐标作图，得到一条直线。
根据直线的斜率，可以计算出电子逸出功＄＼varphi$ 。
三、实验仪器1、理想二极管（理查逊热电子发射管）2、加热电源3、电流表4、电压表5、温控仪四、实验步骤1、按实验电路图连接好仪器，检查线路无误后接通电源。
2、开启温控仪，逐步升高加热电流，使灯丝温度缓慢升高。
同时观察电流表和电压表的读数，记录不同温度下的电流和电压值。
3、当温度达到一定值后，停止加热，待温度稍降后再继续测量。
4、测量完毕后，关闭电源，整理仪器。
五、实验数据处理1、根据测量数据，计算出不同温度下的发射电流密度＄j$ ，公式为：＼j ＝＼frac{I}｛S}＼其中，＄I$ 是发射电流，＄S$ 是阴极发射面积。
2、计算出＄＼ln\frac{j}｛T^2}＄和＄＼frac{1}｛T}＄的值。
3、以＄＼ln\frac{j}｛T^2}＄为纵坐标，＄＼frac{1}｛T}＄为横坐标作图，得到一条直线。
4、通过直线的斜率＄K$ ，计算电子逸出功＄＼varphi$ ，公式为：＼＼varphi ＝＼frac{k}｛e}K\六、实验结果与分析1、实验数据记录表格｜温度 T （K)｜发射电流 I （A)｜发射电流密度 j （A/m²)｜＄＼ln\frac{j}｛T^2}＄｜＄＼frac{1}｛T}＄（1/K)｜｜｜｜｜｜｜｜＿____|＿____|＿____|＿____|＿____|｜＿____|＿____|＿____|＿____|＿____|｜＿____|＿____|＿____|＿____|＿____|｜｜｜｜｜｜2、绘制＄＼ln\frac{j}｛T^2}＄＄＼frac{1}｛T}＄图像根据实验数据，在坐标纸上绘制出＄＼ln\frac{j}｛T^2}＄与＄＼frac{1}｛T}＄的关系曲线。
金属电子逸出功测定实验数据处理系统
第 6卷
第 3期
Exper i m ent Sc ience & T echno logy
! 93!
触 , 而使用这些技术产品也是理解技术原理的最好 学习方法。 ( 5) 协议源代码是理解网络协议原理的最好 实例。互联网上很容易找到 BSD Un ix o r L inux 下 TCP / IP 协议源代码, 对于学习兴趣浓厚、求知欲 强烈的学生完全可以鼓励他们选择性的阅读 TCP / IP 协议源代码。 ( 6) RFC 文档是 公开的最权威、最详尽的网 络协议参考资料。有关计算机网络的教材和著作对 计算机网络协议的描 述难免有不祥 , 甚至错误之 处 , 应该鼓励学生根据需要查考 RFC 文档。 ( 7) 仿真工 具可 以让 学生学 会研 究和 探索。 例如像 OPNET 这样的网络仿真工具软件 , 可以帮 助有探索能力的学生仿真模拟一些 复杂的原理实 现 , 从而让学生成为研究性、创新人才。
4项 , 单击下一步。图表标题、坐标轴名称可通过 图生成后插入文本框来添加 ; ( 5) 点击 完成 按 钮, 至此实验数据点就在图表上描绘出来了。再通 过添加趋势线 , 在类型中选择线性类, 在选项中选 中复选框 显示公式 和 显示 R 平方值 , 单击确 定。一条线性回归拟合线和对应的直线方程就显示
! 6!
实验科学与技术
2008年 6 月
金属电子逸出功测定实验数据处理系统
陈玉林, 徐 飞, 丁留贯, 张雅男
210044) ( 南京信息工程大学物理实验教学中心 , 南京
摘要 : 大学物理实验教学中存 在着繁杂的数据处理问题 , 结合 Excel 软 件的特 点和优 势 , 文章介 绍了利 用 Ex ce l 2003 建立 金属电子逸出功测定实验数据 处理系统 。 实践表 明 , 用 Exce l软 件处理 大学 物理实 验数 据具 有快捷 、 直观 、 简 易的优 点 , 掌握它能有效提高学 生物理实验数据处理能力 。 关 键 词 : Excel软件 ; 金属电子逸出功 ; 数据处理 中图分类号 : T P274 ; O 48 文献标识码 : B 文章编号 : 1672- 4550( 2008) 03- 0006- 03
金属电子逸出功数据处理注意事项
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。
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金属电子逸出功的测量
一、实验目的
1．了解热电子的发射规律，掌握逸出功的测量方法。
2．了解费米—狄拉克量子统计规律，并掌握数据分析处理的方法。
二、实验原理
（一）电子逸出功及热电子发射规律
热金属内部有大量自由运动电子，其能量分布遵循费米－狄拉克量子统计分布规律，当电子能量高于逸出功时，将有部分电子从金属表面逃逸形成热电子发射电流。
电子逸出功是指金属内部的电子为摆脱周围正离子对它的束缚而逸出金属表面所需的能量。
逸出功为0a f W W W =- ，其中为a W 位能势垒，f W 为费米能量。
由费米—狄拉克统计分布律，在温度0T ≠，速度在~v dv 之间的电子数目为：
2()/1
2()1
f W W kT m dn dv h e -=+ （1）
其中h 为普朗克常数，k 为波尔兹曼常数。
选择适当坐标系，则只需考虑x
方向上的情形，利用积分运算
22
/2/21/2
2(
)
y z mv kT
mv kT y z kT e
dv e dv m
π∞
∞
---∞
-∞
==⎰⎰ (2) 可将（1）式简化为
22//23
4f x W kT mv kT
x m kT dn e e dv h
π-=⋅ (3) 而速度为x v 的电子到达金属表面的电流可表示为
x dI eSv dn = （4）
其中S 为材料的有效发射面积。
只有x v ≥将（3）
代入（4~∞范围积分，得总发射电流
kT e s e AST I /2ϕ-= (5)
其中234/A emk h π=，(5)式称为里查逊第二公式。
（二）数据测量与处理
里查逊直线法：
将(5)式两边同除以T 2后取对数，得
()32lg lg 5.03910s I AS T T
ϕ
=-⨯ (6)
由（6）知2lg(/)s I T 与1/T 成线性关系，只需测量不同温度T 下的s I ，由直线斜率可求得φ值，从而避免了A 和S 不能准确测量的困难。
发射电流s I 的测量：
为有效收集从阴极材料发射的电子，必须在阴极与阳极之间加一加速电场E a 。
而E a 降低了逸出功而增大发射电流，使测量到的发射电流值不是真正的I s ，因此必须对实验数据作相应的处理。
由理论推导，可得以下关系：
4.39lg lg 2.303s s I I T '
=+
从(7)式知，在选定的温度T 下，'lg ~s I U a 较大)为线性关系，通过作图法求得直线的截距，即得零场发射电流I s 。
温度T 的测量：
实验通过测量阴极加热电流I f 来确定阴极温度T ，两者关系已由厂家给出：
f I T 16000.920+= (8)
三、实验仪器
WF-3型电子逸出功测定仪，WF-3型数字电压电流仪，标准真空二极管。
四、实验内容
1.按图1连接好实验电路，检查无错后，接通电源，预热15分钟。
图1 热电子发射法测量金属电子逸出功实验电原理图
2.调节灯丝电流初始值为0.600A ，每隔0.025A 测量一次，共测8次。
对应每个灯丝电流I f ,测量加速场阳极电压U a 分别为25、36、49、64、81、100、
121、144V 对应的阳极电流I s 值,如表1。
调节电压时应注意先粗调再细调；每次改变电流时要等待几分钟，使电流不再变化，表明此时温度已经稳定。
’-6利用（8）式f
I T 16000.920+= 求得各灯丝电流对应的温度值。
将（7）式表示
为
lg lg s s I I '=+ ，则将测得的发射电流's I 取以10为底的对数，将阳极电
压开方，得到数据填入表2。
表2 不同温度T 和下对应的阳极电流的对数值'lg s I
由表2数据画出图形：
图2 不同温度下的'
lg~
s
I关系曲线
'
lg
s
I进行线性拟合，拟合形式
Y = A + B * X，其中Y=
'
lg
s
I R为相关系数。
结果如表3：
由表3可知，相应的直线截距值，即
lg
s
I，注意表3中Is单位为10-6A，应转换为A，
再运算求得各个对应的零场发射电流Is，如表4。
表4 不同温度下的零场发射电流lg s I及s I
表5 lg(Is/T2)~1/T 的关系
利用origin作图得到
2
1
lg(/)~
s
I T
T关系如图3：
图3
2
1
lg(/)~
s
I T
T关系
Y = A + B1 * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------ A 0.59067 0.07948
B1 -22193.3 0.016
------------------------------------------------------------ R-Square(COD) SD N P
------------------------------------------------------------
0.99969 0.0102 8 <0.0001 则斜率 k 等于-22193.3 由
()32lg
lg 5.03910s I AS T T ϕ=-⨯ 得:
3
22193.3
4.41
5.03910V ϕ=
=⨯
则金属钨的电子逸出功为 0 4.41W e e V
ϕ== 金属钨的电子逸出功公认值为 4.54e e
V ϕ= 则相对误差为 4.544.41
100%3%
4.54
E -=
⨯=
实验总结 1、本实验需测量的数据主要是阳极电流，在不同的灯丝电流与阳极电压下测得。
由于使用里查逊直线法分析，将公式（5）进行处理得到（6）式，使得实验上难以测量的电子发射面积S 与受化学纯度、处理方法影响较大的A 因子合并在一起，成为不影响实验结果的物理量，大大降低了实验操作难度，也使得实验只需测量不同条件下阳极电流便可进行。
当然还需要记录实验环境，包括温度与湿度等。
2、实验中使用WF-3型数字电压电流仪来测量电压与电流。
3、本实验把阴极发射面限制在温度均匀的一定长度内而又可以近似地把电极看成是无限长的无边缘效应的理想状态，为了避免阴极的冷端效应和电场不均匀等边缘效应，在阳极两端各加装一个保护电极，他们与阳极同电位但与阳极绝缘，使用经过定标的“理想”二极管，配上恒流源对灯丝供电，从而稳定阴极的温度。
操作上，每换一个温度，即每次改变灯丝电流时，要停留几分钟（大于等于5分钟），使得温度充分稳定后才进行发射电流的读数。