重要的事情放在前面：              

本文大多数内容（包括实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容、思考题）均源于大学物理实验指导书，并非本人原创，其余均为本人原创。             

实验数据均为本人经过实验得出，放在这里是为了展示完整的实验报告，并供读者参考和学习，请端正学习心态，切勿抄袭、无故修改、伪造实验数据！             

因为技术原因，有一些数字表达在这写得不标准。             

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实验过程杂谈视频：

实验报告正文：

一、实验目的

1.了解热电子发射的基本规律

2.学习理查逊直线法的数据处理

二、实验原理

1.能级与逸出功：

        根据固体物理中金属电子理论，金属中传导电子的能量分布服从费米-狄拉克分布，即

        上式中，EF为费米能级，k为玻尔兹曼常数（k=1.38e-23J/K）。

        在绝对零度时能量分布如下图中(1)曲线所示，电子具有最大动能EF。当温度升高时，电子能量分布曲线如下图中(2)曲线所示。其中能量较大的少数电子具有比EF更高的能量，且具有这种能量的电子数能随能量的增加而成指数递减。

        在常温下，金属表面存在一个厚约1e-10m左右的电子层——正电荷的偶电层，它的电场阻碍电子从金属表面逸出，也就是说金属表面与外界(真空)之间存在一个势垒Eb，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，在热力学温度为零度时，电子所具有的最大能量为EF，EF称为费米能级，这时电子逸出金属表面至少需要从外界得到能量为

        其中E0称为金属电子的逸出功，也称功函数，单位为电子伏特(eV)，e是电子电荷，V称为逸出电位。

        电子从被加热金属中逸出的现象称为热电子发射。热电子发射是通过提高金属温度来改变电子的能量分布，使其中一部分电子的能量大于E0，这些电子就可以从金属中发射出来。不同的金属材料具有不同的逸出功，因此，逸出功的大小对热电子发射的强弱起决定性作用。

2.热电子的发散公式：

        在高真空的电子管中，一个由被测金属丝做成的阴极K，通过电流If加热，并在另外一个阳极加正向电压时，在连接这两个电极的外围电路中将有电流Ia通过，如下图所示。

        Ia的大小主要与灯丝温度及金属逸出功的大小有关，灯丝温度越高或者金属逸出功越小，电流就越大。即热电子发射既与发射电子的材料的温度有关，也与阴极材料有关。下图所示为不同温度下Ia和电压U关系。

3.里查逊直线法：

4.肖特基效应与外延法求零场电流：

        上式中的I是在阴极与阳极间不存在加速电场的情况下的热电子发射电流。 但是，为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞到阳极，必须在阳极和阴极间加一个加速电场Ea，由于Ea的存在会使阴极表面的势垒Eb降低，因而逸出功减小，发射电流增大，这就是肖特基效应。

5.理想二极管与温度测量：

        本实验是测定钨的逸出功。如下图所示，实验中所用的的电子管为直流式理想二极管，二极管的阴极K由直径0.075 mm左右的纯钨丝做成，阳极A为长1.5cm、半径 r2=0.42cm的镍制圆筒。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。

6.实验电路：

        下图为实验电路。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极管的阴极。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eV。

三、实验仪器

1.THQYC-1型金属电子逸出功实验仪：

（1） 灯丝电流IF：恒流源0〜0.8A连续可调。

（2） 阳极电压Ua: 0〜173V连续可调。

（3） 阳极电流Ia：微安电流表。

（4） IEF调节：灯丝电流调节旋钮。

（5） Ua粗调、Ua细调：阳极电压调节旋钮。

（6） 1〜6插孔：和金属电子逸出功测试台相应插孔相连，以构成实验线路。

2.THQYC-1型金属电子逸出功测试台：

（1）理想二极管灯丝：钨丝。

（2）1〜6插孔：和金属电子逸出功实验仪相应插孔相连，以构成实验线路。

3.操作要领：

（1）将仪器面板上的三个电位器逆时针旋到底。

（2）将理想二极管插在THQYC-1型金属电子逸出功测试台上，并将THQYC-1型金属电子逸出功实验仪和THQYC-1型金属电子逸出功测试台用导线按编号一一对应接好（仔细检查.请勿接错）。

（3）接通主机电源开关，预热20分钟后开始实验。

四、实验内容

五、数据记录

六、数据处理

根据表1和表2作出下图：

由图可知T=2000K时零场热电子发射电流I=26.92μA；

                T=2070K时零场热电子发射电流I=77.50μA；

                T=2140K时零场热电子发射电流I=201.51μA；

                T=2210K时零场热电子发射电流I=475.88μA；

                T=2280K时零场热电子发射电流I=1033.48μA。

根据表3作出下图：

七、结果陈述

        测得金属电子逸出功为4.75eV，相对误差4.62%。

八、实验总结与思考题

1.实验总结：

        本次实验圆满完成，不仅了解了热电子发射的基本规律，还学习了理查逊直线法的数据处理。

2.思考题：

（1）什么是逸出功？改变阴极温度是否改变了阴极材料的逸出功？

        金属原子外层电子受到原子核的引力束缚，要想使电子脱离原子核的引力而变为自由电子，需要对原子做功，这个功的最小值，就是金属的逸出功。逸出功是表征金属材料的量，跟温度无关，故改变阴极温度并不改变阴极材料的逸出功。

（2）里查逊直线法有何优点？

        可以不必测出阴极金属的有效发射面积S和与阴极化学纯度有关的系数A的具体数值而直接由I、T就可以得到V的值。

九、相关题

1. 电子的逸出功是指（A）

    A. 电子从材料表面逸出所需的最小能量

    B. 电子从材料表面逸出所需的能量

    C. 电子从材料表面逸出所吸收的光子能量

2. 材料中电子在各能级的占据几率服从（B）

    A. 波色-爱因斯坦分布

    B. 费米-狄拉克分布

    C. 麦克斯韦-玻尔兹曼分布

3. 在理查逊-杜西曼热电子发射电流公式中，系数A, S, T分别表示（A）

    A. 与阴极化学成分有关的系数，阴极的有效发射面积，阴极的绝对温度

    B. 阴极化学材料的纯度，阴极的发射面积，阴极的绝对温度

    C. 与阴极化学成分有关的系数，阴极的发射面积，阴极的温度

4. 从公式看，逸出功U位于理查逊-杜西曼公式的e指数上，且系数A, S很难测定，解决的方法是（B），通过求对数，把U归结为直线的斜率。

    A. 查理逊对数法

    B. 查理逊直线法

    C. 查理逊斜率法

5. 对理查逊-杜西曼公式求对数之后，得到直线的方程，逸出功可由直线的斜率得到。为求斜率，需知道电流I和温度T两个量，电流I可由毫伏表测得，温度T可由（A）得到。

    A. 灯丝电流与灯丝温度的对应关系

    B. 温度计

    C. 灯丝亮度

6. 零外场下，关于热电子发射电流 I 的测定，下列说法正确的是（A）

    A. 可由外延法测得

    B. 可由理查逊直线法测得

    C. 可由灯丝两端的电压和灯丝电阻得到

    D. 可由外围电路电流表读取

7. 理查逊直线法测逸出功的步骤有：a,外延法得到不同灯丝电流下零场电流的值；b,确定外场下阳极电流与外电压的关系；c,找出每个零场电流对应的温度值（根据灯丝电流）；d,利用理查逊直线法求逸出功。正确的操作顺序是（A）

    A. b a c d

    B. a b c d

    C. b c d a

    D. c b d a

8. 电子从金属中逸出需要能量，使电子逸出金属表面的方法有（AB）

    A. 光照

    B. 加热

    C. 加压

9. 本实验的实验目的是（ABC）

    A. 掌握用理查逊直线法测金属钨的逸出功

    B. 了解热电子发射的基本规律

    C. 学习理查逊直线法的数据处理

10. 关于热电子发射电流 I 的大小，下列说法正确的是（BC）

    A. 灯丝的温度越低，I 越大

    B. 灯丝的温度越高，I 越大

    C. 灯丝的逸出功越小，I 越大

    D. 灯丝的逸出功越大，I 越大

11. 下列关于肖特基效应的说法正确的是（AB）

    A. 肖特基效应使逸出功减小，发射电流增加

    B. 加速电场会降低阴极表面势垒，减小逸出功，产生肖特基效应

    C. 肖特基效应对测量零场电流是不利的

    D. 肖特基效应使热电子不断飞向阳极

12. 利用外延法求零场热电子发射电流需要哪些参数（ABD）

    A. 加速电压的大小

    B. 阴极和阳极材料的尺寸

    C. 灯丝电流的大小

    D. 真空管外围电路中的电流大小

13. 关于零场电流的说法正确的是（AC）

    A. 零场电流是热电子发射电流

    B. 零场电流是稳恒电流

    C. 零场电流不能直接得到，需要借助其它手段

    D. 零场电流是由电场驱动的

14. 本实验中二极管的栅环电极的作用是（AB）

    A. 避免电场的边缘效应

    B. 避免阳极两端产生冷端效应

    C. 确保电子发射均匀

    D. 保护阳极材料

15. (判断题)根据理查逊直线法，由灯丝电流和温度即可得到阴极材料逸出功的大小。

    标准答案：错误

16. (判断题)本实验一共用到两次直线法

    标准答案：正确

17. (判断题)如果阴极和阳极之间没有加速电场，则只有电子发射，不会产生持续电流

    标准答案：错误