_2-09

Цель работы: Изучение явления термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода электрона из металла.

Приборы и принадлежности: Панель с собранной электрической схемой, набор цифровых вольтметров, амперметров и миллиамперметров для измерения анодного напряжения накала и тока накала.

Теоретическое введение.

В металле при нормальной температуре имеется некоторое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер, имеющийся на границе металла, и покинуть его поверхность. При повышении температуры металла число таких электронов резко возрастает и делается вполне заметным. Выход электронов из металла вследствие нагревания последнего называется термоэлектронной эмиссией. Величина же энергии, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы он покинул поверхность металла, от состояния поверхности, в частности, от ее чистоты (подобрать надлежащим образом покрытые поверхности, можно сильно снизить работу выхода, например оксидированием чистого металла).

В данной работе, используя метод прямых Ричардсона, предлагается определить работу выхода электрона из чистого металла и по ее величине указать название метала, используя справочник.

Исходя из квантовых представлений, Дешман в 1923 г. получил для тока насыщения следующую формулу:

(1)

Где Т – абсолютная температура катода; К – постоянная Больцмана; А – константа, не зависящая от рода металла.

Формулу (1) можно записать в виде , так как , где S – площадь катода.

Прологарифмируем это выражение: или

, где (2)

Работа выхода электрона из металла практически не зависит от температуры, ее можно считать величиной постоянной, и, следовательно, является функцией от 1/Т . График зависимости представляет прямую линию, угловой коэффициент которой равен . Построив график зависимости от 1/Т и определив коэффициент этой прямой, можно найти работу выхода:

(3), где (4)

Рассмотренный метод называется методом прямых Ричардсона.

Таблица №1 – измерение анодного тока J_a до получения тока насыщения.

I1		I2		I3		I4
JH=1,15 UH=3,0		JH=1,2 UH=3,2		JH=1,25 UH=3,4		JH=1,3 UH=3,7
Ua, B	Ja, mA	Ua, B	Ja, mA	Ua, B	Ja, mA	Ua, B	Ja, mA
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	0,005 0,282 0,298 0,305 0,310 0,314 0,317 0,320 0,322 0,325	0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	0,008 0,491 0,547 0,560 0,568 0,574 0,579 0,584 0,588 0,592	0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	0,012 0,762 1,025 1,048 1,064 1,076 1,086 1,095 1,102 1,110	0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	0,017 1,118 2,049 2,123 2,159 2,184 2,206 2,223 2,239 2,254

Провели измерения анодного тока J_a до получения тока насыщения и записали полученные значения в таблицу №1. Повторили измерения для нескольких значений тока накала. Построили на одной из координатных сетке вольт – амперные характеристики лампы, используя данные таблицы №1 для различных токов накала.

Вольт – амперные характеристики лампы.

U_a, B

J_a, mA

Вычислили по величине тока и напряжения накала мощность Р (Р = J_Н · U_Н), потребляемую катодом, разделить ее величину на площадь катода S=0,05 cм² и по табличным данным определили температуру накала, соответствующую каждому из четырех токов накала. Значение Р/S, Т и токи насыщения записали в таблицу №2.

Таблица №2 – Значение Р/S, Т и токи насыщения.

№	Р/S·104, Bт/м2	Т, К	1/Т·10-4, К-1	1/Т2·10-7, К-2	Jнас, мА	Jнас/Т2·10-7, мА/К2	ln(Jнас/Т2)
1	82,8	2050	4,9	2,38	0,325	0,77	-16,4
2	93,6	2120	4,72	2,22	0,595	1,32	-15,8
3	102,5	2170	4,61	2,12	1,110	2,36	-15,3
4	117,0	2190	4,57	2,09	2,255	0,47	-16,9

Используя данные таблицы №2, построили два графика: график зависимости тока насыщения от температуры накала ; график зависимости

График зависимости тока насыщения от температуры накала

T, K

J_нас, мА

График зависимости

T^-1-10^-4(K^-1)

По графику можно найти тангенс угла α:

Теперь можно найти работу выхода по формуле:

По табличными данными мы получили металл – титан(его работа выхода, по табличным данным, равна 3,92).

Вывод: Изучили явления термоэлектронной эмиссии и смогли определить работу выхода электрона из металла. Работа выхода электрона из металла практически не зависит от температуры, ее можно считать величиной постоянной, и, следовательно, является функцией от 1/Т . График зависимости представляет ломаную, угловой коэффициент которой равен . Построив график зависимости от 1/Т и определив коэффициент этой прямой, смогли найти работу выхода(метод прямых Ричардсона).