电子逸出功与荷质比的测定

100
121
Ua
4
5
6
7
8
9
10
11
表 4 灯丝电流为 0.800A 条件下的实验数据
I

e
368
380
388
397
406
415
422
430
lg
I

e
2.566 2.580 2.589 2.599 2.609 2.618 2.625 2.633
Ua
16
25
36
49
64
81
100
121
Ua
4
5
6
7
8
9
Ua
16
25
36
49
64
81
100
121
Ua
4
5
6
7
8
9
10
11
表 3 灯丝电流为 0.750A 条件下的实验数据
I

e
144
148
151
154
157
160
162
165
lg
I

e
2.158 2.170 2.179 2.188 2.196 2.204 2.210 2.217
Ua
16
25
36
49
64
81
三、 实验原理
基础概念： 热电子发射：在一个真空玻璃管中装上阴极和阳极，阴极由金属丝做成。在阴极上通过 电流使之加热，在阳极上加以高于金属丝的正电位，这样在连接着两个电机的外电路中就有 电流流过。电子可以从加热了的金属丝中逸出，这就叫做热电子现象。 一、电子逸出功的测量 根据量子论，原子内电子的能级是量子化的。在金属内部运动者的自由电子遵循类似的 规律：①金属中自由电子的能量是电子化的；②电子具有全同性，即各电子是不可区分的； ③能级的填充状况太符合泡利不相容原理。由于金属表面存在一个电子-正电荷电偶层，阻 碍电子从金属表面逸出，因此金属表面与外界之间有位能壁垒 W。电子要从金属中逸出， 就必须具有至少大于 W 的动能来客服电偶层的阻力作用，这个功就叫做电子的逸出功。又 因为电能能量分布服从费米-狄拉克分布，因此热电子发射可以用提高阴极温度的办法来改 变电子的能量分布，服从 S.Dushman 公式如下：
Ia A
33
28
20
12
8
5
0.190 40
0.238 3
0.196 37
0.249 1
IS mA Ia A IS mA Ia A
0.000 44
0.180 20
IS mA Ia A IS mA Ia A
0.000 39
0.149 10
Ia A
四、 实验内容与方法
一、准备 1.检查实验测量线路的连接是否正确，测量完成后不要拆线。 2.各电源输出调至最小，接通电源预热 10 分钟。
二、电子逸出电位的测定 1.功能选择键至逸出功，灯丝加热电流从 0.650-0.800A，每隔 0.050A，测定加速电压与 阴极发射电流的关系，列表记录数据；
2.根据所测数据作出 Ua lg Ie 直线，求出不同灯丝加热电流亦即不同温度下的 lg Ie
18
19
19
lg
I

e
1.204 1.230 1.230 1.255 1.255 1.255 1.279 1.279
Ua
16
25
36
49
64
81
100
121
Ua
4
5
6
7
8
9
10
11
表 2 灯丝电流为 0.700A 条件下的实验数据
I

e
51
52
53
54
55
56
57
58
lg
I

e
1.708 1.716 1.724 1.740 1.748 1.756 1.763 1.771
表 7 阳极电压为 4V 条件下的实验数据
0.126 0.129 0.140 0.146 0.160
44
43
42
41
35
0.186 0.193 0.202 0.203 0.206
15
10
5
4
3
表 8 阳极电压为 3V 条件下的实验数据
0.075 0.101 0.107 0.109 0质比
选定灯丝电流为 0.700A 时进行实验
表 6 阳极电压为 5V 条件下的实验数据
IS mA 0.000 0.030 0.120 0.170 0.172 0.186
Ia A
46
46
46
46
45
43
IS mA 0.200 0.206 0.214 0.223 0.227 0.233
由上式可以看出，做出
图线，由直线的斜率可以定出φ的值，lgAS 只改变直线
的截距，不影响直线的斜率。
在阳极和阴极之间外加一个加速场 E，使电子一旦逸出，就可以迅速飞往阳极，热电子
发射电流与外加速场的有如下关系：
二、磁控法测电子荷质比 在理想二极管中，阴极和阳极为一同轴圆柱系统，当阳极加油正电压使，从阴极发射的 电子流手电场的作用将做径向运动。如果在理想二极管外面套一个通电励磁线圈，则原来沿 径向运动的电子在轴向磁场的作用下，运动将发生弯曲。若进一步加强磁场，这时电子运动
值。
3.由 lg
Ie 个
T
值，作出 1 T

lg
Ie T2
直线，从直线斜率求出逸出电位
值。
三、磁控法测荷质比
1.各输出调节最小，功能选择键至荷质比；
2.灯丝电流一定，选择不同阳极电压，测定励磁电流 IS 和阳极电流 Ia 的关系，直到阳
极电流 Ia 降到接近零为止，列表记录数据。
3.根据所测数据作出 Ia IS 直线，求出不同阳极电压下的 IC 值；
到阳极附近，电子所受到的洛伦兹力减去电场力后的合力恰好等于电子沿阳极内壁圆周运动 的向心力，此时电子流运动的轨迹也将沿着内壁作圆周运动，此时成为临界状态。
若设阳极内半径为 a，而阴极半径不计，不同阳极电流在不同阳极电压下随着励磁电流 变化的曲线如下图：
图 2 励磁电流-阳极电流曲线 找到临界电流后，就可以利用一下公式计算电子的荷质比：
西北工业大学 近代物理实验报告
班级：11051401 姓名：刘沛宇 学号：2014302882 日期： 2016.10.25
实验 6 电子逸出功与荷质比的测定
一、 实验目的
1、了解热电子发射的基本规律，验证肖脱基效应； 2、学习用理查森直线法处理数据，测量电子逸出点位； 3、了解磁控原理，利用磁控法测定荷质比。
Ia IS 线如上图所示，在图中取点可得：阳极电压为 5V 时， IC 为 0.172mA， IC2 为 0.029584；阳极电压为 4V 时，IC 为 0.129mA，IC2 0.016641；阳极电压为 3V 时，IC 为 0.101mA， IC2 为 0.010201，其图线如下：
可以得出结论，Ua IC2 呈线性关系。根据公式：
二、 实验仪器（名称、型号及参数）
LB-MEP-PC 金属电子逸出功测定仪。 仪器内附有 12 位 A/D 转换器的计算机接口，经过计算机接口处理，运行“逸出功”或“荷 质比”的实验软件，在计算机屏幕上将所测得的电流、电压等变化曲线实时显示。实验测量 线路原理如下图 1 所示：
图 1 实验测量线路图
解得电子的荷质比为1.77 1011C / kg ，与公认值1.759 1011C / kg 相比，误差为 0.6%
Ua
IC2
图 4 Ua IC2 曲线
六、 实验分析与讨论
1.在改变励磁电流测定阳极电流的时候，要保持灯丝电流和阳极电压保持不变。 2.该实验可能出现误差的地方为：①在利用磁控法测荷质比的时候，取样点较少，只有 三个，其线性拟合可能出现的误差会偏大；②在寻找临界电流时，人为因素会造成很大误差； ③阴极半径不能忽略不计；④实验中所用二极管并不是理想二极管。
10
11
T103 K 1/T10-31/ K
lg Ie lg Ie / T2
表 5 求直线斜率数据表
1.96
2.04
2.12
0.510 0.490 0.472
1.17
1.67
2.13
0.585 1.071 1.467
2.20 0.455 2.53 1.855
由以上数据处理可得，逸出电位的为 0.04346V
Ie 为热电子发射的电流强度；S 为阴极金属的有效发射面积；T 为热阴极绝对温度；k
为玻尔兹曼常数；A 为与阴极化学纯度有关的系数。 对于各个量的处理方法，如下：
A 直接与金属表面对发射电子的反射系数有关，而反射系数又与金属表面的化学纯度有 很大关系，其数值决定于位能壁垒。因金属表面不够洁净，并且金属表面粗糙，因此 A 和 S 两个量很难测定。
36
35
30
0.156 0.165 0.168 0.170 0.174
5
4
3
2
1
0.167 30
0.210 2
0.175 25
0.216 1
0.132 25
0.180 0
0.141 15
0.190 0
阳极电压为 5V 阳极电压为 4V 阳极电压为 3V
IS mA 图 3 实验测量到的 Ia IS 曲线
4.做出Ua IC2 图线，确定两者之间的关系，利用相关公式求出荷质比，并与理论值比
较。 四、关机
将各输出调节为最小，关断电源，不能拆除接线。