金屬逸出功與電子荷質(zhì)比_圖文

1、金屬電子逸出電勢和荷質(zhì)比的測量實習一 金屬電子逸出電勢的測量【實驗要求和目的】1. 了解金屬電子逸出功的基本理論 2. 學習用里查孫直線法測定鎢的逸出功3. 學習用計算機接口輔助進行實驗數(shù)據(jù)采集和處理 【實驗原理】在理想二極管的陽極上加以正電壓時, 連接這兩個電極的外電路中將有電流通過, 這種 現(xiàn)象,稱為熱電子發(fā)射。金屬中的傳導電子能量的分布是按費密狄喇克能量分布的。即1212331 exp( 2(4 ( (-+-=kTE E E m h dE dN E N E f F (1 在絕對零度時電子的能量分布如右圖中曲線 (1所示。這 時電子所具有的最大能量為 F E (費密能級 。當溫度 T &g

2、t;0時,電子的能量分布曲線如圖中曲線 (2、 (3所示。通常溫度下金屬表面與外界 (真空 之間存在一個勢壘b E ,電子要從金屬中逸出,至少具有能量 b E 。在絕對零度時電子逸出金屬至少要從外界得到的能量為e E E E F b =-=0 (20E (或 e 稱為金屬電子的逸出功, 它表征要使金屬中比費米能極 F E 具有最大能量的電子逸出金屬表面所需要給予的能量。稱為逸出電勢。提高陰極溫度使其中一部分電子的能量大于勢壘 b E 。 這樣, 能量大于勢壘 b E 的電子就 可以從金屬中發(fā)射出來。因此,逸出功 e 的大小,決定了電子發(fā)射的強弱。根據(jù)費密狄喇克能量分布公式 (1,可以導出熱電子

3、發(fā)射的里查孫熱西曼公式e x p (2kTe AST I -= (3 式中 I 熱電子發(fā)射的電流強度 (A。 A 和陰極表面化學純度有關(guān)的系數(shù) (A·m -2·K -2 。S 陰極的有效發(fā)射面積 (m2. T 發(fā)射熱電子的陰極的絕對溫度 (K。 K 玻爾茲曼常數(shù), k=1.38×10-23J ·K-1由于 A 和 S 兩個量難以直接測定,所以在實際測量中用下述的里查孫直線法。 將式 (3兩邊除以 2T ,再取常用對數(shù)得 T AS kT e AS T I 11004. 5lg 30. 2lg lg32-=-= (4從 (4式可見, 2lgT I 與 T 1

4、成線性關(guān)系。如以 2lg TI 為縱坐標,以 T 1為橫坐標作圖,從所得直線的斜率,即可求出電子的逸出電勢,從而求出電子的逸出功 e 。為了維持陰極發(fā)射的熱電子能連續(xù)不斷地飛向陽極, 必須在陰極和陽極間外加一個加速 電場 a E 。然而由于 a E 的存在會使陰極表面的勢壘 b E 降低,因而逸出功減小,發(fā)射電流增 大, 這一現(xiàn)象稱為肖脫基效應。 在陰極表面加速電場 a E 的作用下, 陰極發(fā)射電流 a I 與 a E 有 如下的關(guān)系439. 0exp(TE I I aa = (5式中 a I 和 I 分別是加速電場為 a E 和加速電場為零時的發(fā)射電流。對 (5式取對數(shù)得 a a E TI

5、I 30. 2439. 0lg lg += (6如果把陰極和陽極做成共軸圓柱形,并忽略接觸電勢差和其它影響,則加速電場 121ln r r r U E a a =(7 式中 1r 和 2r 分別為陰極和陽極的半徑, a U 為陽極電壓, 將 (7式代入 (6式121ln30. 2439. 0lg lg r r r TI I a a += (8由右圖所示。直線的延長線與縱坐標的交點即為I lg 。由此即可求出在一定溫度下加速電場為零時的發(fā) 射電流 I 。實驗電路如左圖所示。 【實驗儀器】 WF-4型金屬電子逸出功測定儀、理想二極 管?！緦嶒灢襟E】1. 連接好陽極和燈絲的電壓、電流表,測量 燈絲電

6、流和陽極電流及陽極電壓。 接通電源, 預 熱 10分鐘。2. 將 理 想 二 極 管 燈 絲 電 流 f I 從 0.550.75A ,每間隔 0.05A 進行一次測量。對應每一燈絲電流,在陽極上加 16, 25, 36, 49, 121V 諸電壓,各測出一組陽極電流 a I ,并計算對數(shù)值 a I lg 。3. 作出 a I lg a 圖線。 再根據(jù) a I lg a 直線的延長線與縱坐標上的截距, 從圖 上直接讀出不同陰極溫度時的零場熱電子發(fā)射電流 I 的對數(shù)值 I lg 。4.計算不同溫度 T 時的 2lgT I 和 T 1值,并據(jù)此作出 2lg T I T1圖線。根據(jù)直線斜率求出鎢的逸

7、出電勢。 【 數(shù)據(jù)處理 】 與逸出功公認值 e =4.54eV相比的相對誤差:r E = % 2. 圖解法數(shù)據(jù)處理: 示范報告 根據(jù)表中數(shù)據(jù)作圖:以 lg 1 I 為縱坐標, 為橫坐標,用圖解法求直線的斜率. 2 T T 直線斜率: m (lg I T2 1 ( T -(1.00/0.42 ×10 4 = -2.38 ×10 4 逸出電勢= m = 5.04 10 3 4,72 eV 4,72 (V 逸出功 e= 與逸出功公認值 e=4.54eV 相比的相對誤差: E r = 4.0 % 實習二 用磁控方法測量荷質(zhì)比 【目的與要求】 1.加深對帶電粒子在電磁場中運動規(guī)律的理

8、解. 2.了解電子束的磁控原理并定量分析磁控條件. 3.測定電子荷質(zhì)比和用計算機輔助進行數(shù)據(jù)處理. 【實驗原理】 本實驗裝置的電路原理如下圖所示: 在理想二極管的陽極加有正電壓時, 從陰極發(fā)射的電子流受電場的作用將作徑 向運動(下圖 a .如在理想二極管外面 套一個通電勵磁線圈,原來沿徑向運動的 電子在軸向磁場作用下,運動軌跡將發(fā)生 彎曲(下圖 b .在理想情況下,若進一 步加強磁場(加大線圈的勵磁電流 ,電子 經(jīng)圓周運動后又返回陰極附近不再到達陽 極(電子流運動如下圖 c ,陽極電流迅速 下降,此時稱為臨界狀態(tài).若進一步增強 磁場,就會造成陽極電流"斷流" .這種利用磁場

9、控制陽極電流的過程稱為"磁控" . 示范報告 在一定的陽極加速電壓下,陽極電流 I a 與 勵磁電流 I S 的關(guān)系如左圖所示. 在單電子近似情況下, 從陰極發(fā)射出的, 質(zhì) 量為 m 的電子動能 1 mV 2 eU a E 2 動,滿足 (1 電子在磁場 B 的作用下作半徑為 R 的圓周運 m V2 eVB R (2 螺線管線圈中的磁感強度 B 與勵磁電流 I S 成正比 B IS 由(1(2(3式可得: , , 或 B K I S (3 U a E / e e R2 K 2 2 IS m 2 (4 設(shè)陽極內(nèi)半徑為 a ,陰極(燈絲半徑忽略不計,當多數(shù)電子都處臨界狀態(tài)時,在

10、陽極電 流變化曲線上選擇一點稱為臨界點 Q,與臨界點 Q 對應的勵磁線圈的電流 I S 稱為臨界電流 I C ,且此時 R a / 2 ,陽極電壓 U a 與 I C 的關(guān)系可寫為: Ua E / e e a2 K 2 2 m 8 IC 或 : Ua E / e K 2 IC (5 e a2 2 K 2 為一常數(shù).顯然, U a 與 I C 成線性關(guān)系.可按多數(shù)電子的運動 上式中 K m 8 情況來考慮臨界點: 在陽極電流 I a I S 變化曲線上取陽極電流最大值 I a 0 約 1/4 高度的點為 臨界點 Q, Q 點的橫坐標值作為磁場的臨界電流值. 改變不同的 U a 有不同的 I C

11、值與之對 應. 將測得的 U a I C 數(shù)據(jù)組用圖解法或最小二乘法求得斜率 K . 根據(jù)勵磁線圈的有關(guān) 參數(shù):線圈的內(nèi)半徑 r1 ,外半徑 r2 ,線圈長度 L 和電流和匝數(shù)的積 NI ,可求出勵磁線圈中心 處產(chǎn)生的磁感強度: 2 B0 0 NI 2(r2 r1 ln r2 r22 L2 r1 r12 L2 (6 再將此磁感強度和測得的 K 值,理想二極管的陽極內(nèi)半徑 a 等代入公式(5,(4,(3, 即可求得電子的荷質(zhì)比 e / m . 【實驗儀器】 WF-4 型金屬電子逸出功測定儀,計算機等. 示范報告 【實驗內(nèi)容與步驟】 1.將理想二極管,勵磁線圈與金屬電子逸出功測定儀用導線連接好,測

12、定儀的 COM 接口與電腦上的 COM 接口相連接.打開測定儀的電源,功能選擇鍵為"荷質(zhì)比" ,將二極 管的燈絲電流調(diào)到 700740mA 范圍的某一個值并始終保持不變,預熱 10 分鐘. 打開電 腦,仔細閱讀"磁控條件"實驗軟件中儀器介紹和使用說明. 2. 將陽極電壓調(diào)到 6.00V 保持不變. 選擇電腦屏幕上 "開始實驗" , "第一條曲線開始" . 緩慢由最小逐步增大勵磁電流,當陽極電流下降為 0 附近時,按下"第一條曲線結(jié)束" ,并 將勵磁電流調(diào)到最小. 3.分別測量陽極電壓為 5.00

13、V,4.00V,3.00V,2.00V 和 1.00V 時的 IaIs 關(guān)系曲線. 4.對每一 IaIs 關(guān)系曲線,確定陽極電流的最大值 Ia0, 并求出 Ia=(1 /4 Ia0 的 Q 點位置, 記錄對應的勵磁電流 Ic 值. 5.所有曲線的 Ic 值確定后,點擊"數(shù)據(jù)處理" ,根據(jù) Ua,Ic2 的列表,作相應的 UaIc2 關(guān)系圖,并計算每一Ua/Ic2 的斜率. 6.根據(jù)實驗所得的斜率及給定的相關(guān)參數(shù),計算電子的荷質(zhì)比 e/m. 【數(shù)據(jù)記錄和處理】 計算機數(shù)據(jù)處理結(jié)果: Ua/V 6.00 5.00 Ic/A Ic /A 2 2 4.00 0.18 0.0324 3.00 0.158 0.025 2.00 0.139 0.0193 1.00 0.116 0.0135 0.218 0.0475 0.202 0.0408 斜率 K=143 理想二極管的陽極半徑 a= 0.0042m 線圈內(nèi)半徑 r1=0.021m 線圈長度 L= 0.040m 匝數(shù) N=961 線圈外半徑 r2= 0.028m 荷質(zhì)比 e/m=1.77×1011C/kg 與公認值 e/m=1.759×1011C/kg 的百分誤差為 0.6%. 六.分析與討論 1.臨