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 E_н, регулятор напряжения накала R_н (реостат), источник анодного напряжения E, 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.

Проводя 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.

,

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 R_н) установить напряжение накала U_н1 = 3,40 В (поддерживать напряжение накала постоянным в течение опыта).

5. Измерить амперметром ток накала I_н1. 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 U_н2 = 3,85 В.

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

Т а б л и ц а 3.1

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

Контрольные вопросы

1. Какое явление называется термоэлектронной эмиссией? Причины ее возникновения?

2. Что называется работой выхода электрона из металла? Чему она равна?

3. Расскажите об устройстве вакуумного диода. Какой вид имеет вольтамперная характеристика диода и почему?

4. Что такое электронное облако?

5. Сформулируйте закон Богуславского-Ленгмюра и Ричардсона-Дэшма­на.

6. По какому закону изменяется анодный ток в электронной лампе в зависимости от анодного напряжения?

7. Как зависит плотность тока насыщения от температуры катода?

8. Какие существуют эмиссионные явления и области их применения?

Лабораторная работа