Лабораторная работа №9. Определение работы выхода электрона из металла

Цель работы: изучение явления термоэлектронной эмиссии, определение работы выхода электрона из металла.

Приборы и принадлежности. Вакуумный диод, источник постоянного напряжения накала ε_н, регулятор напряжения накала R_н (реостат), источник анодного напряжения ε, регулятор анодного напряжения R (потенциометр), миллиамперметр.

Методика и техника эксперимента

Для экспериментального изучения явления термоэлектронной эмиссии используется электрическая цепь, схема которой изображена ниже.

Она позволяет изменять температуру накала катода и, соответственно, выход электронов путем изменения сопротивления реостата R_н. Анодное напряжение можно изменять потенциометром R.

П роводя измерения силы анодного тока I_а и соответствующих значений анодного напряжения U_а, можно построить вольтамперную характеристику вакуумного диода. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения при двух значениях температур катода Т₁ и Т₂.

К

U_з

ак известно, зависимость плотности тока насыщения от абсолютной температуры описывается формулой Ричардсона-Дэшмана:

,

где С – постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов, Т – термодинамическая температура катода, k = 1,38 · 10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, А_вых – работа выхода электрона из катода.

Преобразуем формулу Ричардсона-Дэшмана:

и прологарифмируем полученное выражение:

.

Запишем полученную формулу для двух значений температуры катода Т₁ и Т₂, учитывая при этом, что и :

, .

Вычитая из второго уравнения первое

,

получаем расчетную формулу для определения работы выхода электрона из металла:

. (3.1)

Ток насыщения при каждой температуре I_нас1 и I_нас2 можно определить по вольтамперной характеристике диода.

Определение значений абсолютной температуры Т₁ и Т₂ также происходит графически. Температура Т зависит от тепловой мощности Р, выделяющейся на единице площади поверхности катода, график этой зависимости представлен на стенде рядом с установкой. Мощность, в свою очередь, определяется через ток I_н и напряжение U_н цепи накала катода по формуле:

, (3.2)

а мощность, которая излучается с единицы площади поверхности:

. (3.3)

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой.

2. Заполнить таблицу с данными об амперметре и вольтметре, рассчитать цену деления и абсолютную погрешность каждого прибора.

3. Включить схему в сеть.

4. С помощью регулятора напряжения (потенциометра Rн) установить напряжение накала Uн₁ = 3,40 В (поддерживать напряжение накала постоянным в течение опыта).

5. Измерить амперметром ток накала Iн₁. Значения тока и напряжения занести в таблицу 3.1.

6. С шагом в 10 В увеличивать анодное напряжение от значения 5 В до тех пор, пока анодный ток не достигнет насыщения. Значения напряжения и соответствующие значения анодного тока занести в таблицу 3.1.

7. Установить напряжение накала Uн₂ = 3,85 В.

8. Повторить аналогичные измерения в соответствии с пунктами 4-6.

Т а б л и ц а 3.1

Uн = 3,40 В		Uн = 3,85 В
Iн = … А		Iн = … А
Uа, В	Iа	Uа, В	Iа

9. Построить вольтамперные характеристики . Определить ток насыщения I_нас1 и I_нас2. Результаты занести в таблицу 3.2.

10. По формуле (3.2) рассчитать мощность Р₁ и Р₂, выделяющуюся на катоде.

11. По формуле (3.3) рассчитать выделяющуюся мощность на единице площади катода. Площадь поверхности катода S = 0,11 см².

12. По прилагаемому графику (получить у лаборанта) определить значения температуры катода Т₁.и Т₂.

13. По формуле (3.1) найти значение работы выхода электронов из металла.

14. Выразить работу выхода в электрон-вольтах. 1 эВ = 1,610^-19 Дж.

15. Результаты расчетов занести в таблицу 3.2.

16. Сделать вывод о проделанной работе.

Т а б л и ц а 3.2

	,А	P, Вт	,	T, К		A, эВ
1 2