实验76 电子管综合实验指导书
实验76-1 金属逸出功实验
金属中存在大量的自由电子，但电子在金属内部所具有的能量低于在外部所具有的能量，因而电子逸出金属时需要给电子提供一定的能量，这份能量称为电子逸出功。
研究电子逸出是一项很有意义的工作，很多电子器件都与电子发射有关，如电视机的电子枪，它的发射效果会影响电视机的质量，因此研究这种材料的物理性质，对提高材料的性能是十分重要的。
一、【实验目的】
1．用里查逊（Richardson）直线法测定金属钨的电子逸出功。
2．学习数据处理的方法。
二、【实验仪器】
电子管综合实验操控主机，SHZ-EWF1型电子管基座。
三、【实验原理】
1．热电子发射测量电子逸出功的基本原理
通常情况下，金属表面与外界（真空）之间存在一个势垒
，在绝对零度时电子逸出金属至少需要从外界得到的能量为
式中
是绝对零度时电子所具有的最大能量，称为费米能级；W称为金属电子的逸出功，其常用单位为电子伏特（eV）；
称为逸出电位，其数值等于以电子伏特为单位的电子逸出功大小。
电子从被加热金属中逸出的现象，称为热电子发射。如图1.1所示，真空二极管的阴极K（用金属钨丝做成）通以电流加热，在阳极A上加以正向电压Ua（阳极为高电位），则在连接这两个电极的外电路中将有阳极电流Ia通过。阴极灯丝温度越高或电子逸出功越小，阳极电流Ia就越大。当阳极
未加正电压（图中Ua=0）时，连接两个电极的外电路中也将会检测到热电子发射电流
（称为零场电流）。此零场电流强度
由理查逊-热西曼公式确定，有
它就是热电子发射测量电子逸出功的基本原理公式。式中
是和阴极表面化学纯度有关的系数（单位为A·m-2·K-2），
为阴极的有效发射面积（单位为m2），
为阴极的绝对温度（单位为K），
为玻尔兹曼常数。
将上式两边除以
，再取对数，可得
（1.1）
此式显示
与
成线性关系。
如以
为纵坐标，
为横坐标作图，由直线斜率即可求出电子的逸出电位
或电子逸出功W。这样的数学处理方法称为理查逊直线法。
2．零场电流I的测量
为了维持阴极发射的热电子能连续不断地飞向阳，必须在阴极和阳极之间加一个加速电场
。这样，阴极发射的热电子在加速电场作用下趋向阳极，形成阳极电流
。可以证明，零场电流
与
的关系为
对上式取对数，曲线取直，有
通常把阴极和阳极做成共轴圆柱形，忽略接触电位差和其它影响，则阴极表面加速电场可表示为
，其中
和
分别为阴极和阳极的半径，
为阳极电压。把
代入上式得
（1.2）
此式是测量零场电流的基本公式。
对于一定尺寸的二极管，当阴极的温度
一定时，
和
成线性关系。如图1.2所示，如果以
为纵坐标、以
为横坐标作图，这些直线的延长线在
处与纵坐标的交点为
。求反对数，可求出在一定温度下的零场电流I。测出不同阴极温度
下的零场电流I，则根据式（1.1）可求出电子的逸出电位
或电子逸出功W。
四、【实验仪器介绍】
本实验仪器由操控主机和SHZ-EWF1型电子管基座两部分组成，如图1.4所示。操控主机面板从左至右依次为触摸控制屏、电子编码器电压/电流调节旋钮和线路接口。电子管基座包括两部分，安装在一个铁箱的A、B两面，分别用于金属电子逸出功和弗兰克—赫兹实验（一套仪器用于两个实验），由线路接口和相应的电子管组成。
a 操控主机 b 电子管基座A面与B面
图1.4 电子管综合实验仪
操控主机面板介绍：
如图1.4a所示，操控主机面板上有高精度触控屏、电压/电流调节旋钮、示波器接口、电子管基座接口四部分。
1．高精度触控屏
（1）显示屏为触摸式图形化操作界面。
（2）所有实验参量设置都是从触控屏上点击选择相应参量后，通过旋转光电编码器旋钮调节量值。
2．调节旋钮
（1）该旋钮为各参量共用调节旋钮。
（2）在触控屏上点击选中需要调节的参量，再旋转钮调节参量数值大小。
3．示波器接口
（1）用来将弗兰克——赫兹实验电流信号连接到示波器上显示。
（2）“示波器”、“同步信号”插座分别接示波器上的“信号输入”、“同步输入”端。
4．电子管基座接口
（1）在金属电子逸出功实验中，接电子管基座“金属电子逸出功实验”面板接口（如图1.5a）。
（2）在弗兰克——赫兹实验中，接电子管基座“弗兰克赫兹实验”面板接口（如图1.5b）。
a 金属电子逸出功实验 b 弗兰克—赫兹实验
图1.5 电子管基座接口连线图
五、【实验内容及步骤】
1．按照图1.5a连接好实验电路，接通电源。
2．调节二极管灯丝电流
，在0.6~0.7A之间每隔0.03A或0.04A进行一次测量。
对于每一灯丝电流，预热3~5分钟，对应温度按照：T = 920+1600
求得（如果阳极电流
偏小或偏大，也可适当增加或降低灯丝电流
）。
3．对应每一灯丝电流，在阳极上依次加上25V，36V，49V，64V，81V，100V，121V，144V电压，各测出一组阳极电流
填入表1.1。
表1.1 不同灯丝电流If 和阳极电压Ua对应的阳极电流Ia值 单位：uA
25V |
36V |
49V |
64V |
81V |
100V |
121V |
144V |
|
0.600A |
||||||||
0.630A |
||||||||
0.670A |
||||||||
0.700A |
五、【注意事项】
1．实验开始前连接线路及实验后拔除线路时，请勿触碰线路金属部分，避免高压对身体造成伤害；
2．因实验过程中可能长期处于高压状态，故机箱温度较高，实验数据采集结束后请及时降压或关闭试验仪，同时注意降温；
3．实验所有电子管因生产原因性能不会完全一致，故不同电子管相同灯丝电流灯丝温度不相同，所逸出电流数值不会完全一致，但不影响逸出功拟合计算结果，亦可用多个电子管实验计算平均值以减小误差。仪器测试饱和电流上限为630uA左右，一般建议实验灯丝电流不超过0.7A。
实验76-2 弗兰克-赫兹实验
1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福原子核模型的基础上，结合普朗克量子理论，提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论。该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射，辐射能量满足DE = Em-En；对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。
1914年德国物理学家弗兰克和赫兹用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。
玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获诺贝尔物理学奖。
一、【实验目的】
1．学习测量原子的第一激发电位的方法；
2．通过实验证实原子能级的存在；
3．研究影响充气电子管阳极电流的因素，分析其机理。
二、【实验仪器】
电子管综合实验操控主机，SHZ-EWF1型电子管基座
三、【实验原理】
根据玻尔的原子理论，原子只能较长久地停留在一些稳定的状态下，简称“定态”。原子在定态时既不发射能量也不吸收能量，各定态的能量是分立的，也就是处于不同的能级上，原子只能吸收或辐射出相当于各能级之间差值的能量。原子从一个定态跃迁到另一个定态时将发生能量的发射和吸收，发射或吸收的能量辐射的频率也是一定值，其辐射频率
决定于
，h为普朗克常数，则有
（2.1）
要使原子状态改变，必须有一外部能量对原子作用，轰击原子以便使之获得能量产生跃迁。弗兰克-赫兹实验就是通过加速电子，使具有一定能量的电子与原子进行碰撞，进行能量交换而实现原子能态的改变。
夫兰克一赫兹实验原理如图2.1所示，充氩气的电子管中，阴极
，阳极
，
、
分别为第一、第二栅极。
阴极
~栅极
~栅极
之间加正向电压，为电子提供能量。
的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。栅极
~阳极
之间加反向电压
，形成拒斥电场。
电子从热阴极
发出，在
~
区间获得能量，在
~
区间损失能量。如果电子进入
~
区域时动能大于或等于
，就能到达阳极形成阳极电流IA。
电子在不同区间的情况：
（1）在
~
区间：电子迅速被电场加速而获得能量。
（2）在
~
区间：电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差
时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的动能达到DE，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。DE称为临界能量。
（3）在G2~A区间：电子克服拒斥电场力做功而损失能量。若电子进入此区间时的动能小于
则不能达到阳极。
由此可见，电子经过从
到
加速后，若
，则电子带着
的能量进入G2~A区域。随着
的增加，越来越多的电子具有足够的能量克服拒斥电场作用到达阳极，电流
增加（如图3-2中Oa段）。
若
之后，随着
增大，电子能量被氩原子吸收DE的概率逐渐增大，剩下的动能不能克服拒斥电压，阳极电流逐渐下降（如图2.2中ab段）。
继续增大
，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达阳极的电子又会逐渐增多（如图2.2中bc段）。
若
，则电子在进入G2~A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流
随加速电压
变化曲线就形成n个峰值，如图2.2所示。凡是在
（2.2）
处阳极电流就会相应下跌，相邻峰值之间的电压差
称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差
（2.3）
四、【实验仪器介绍】
仪器介绍与“电子逸出功实验”仪器介绍一样，略。
五、【实验内容与步骤】
测量原子（以下以氩原子为例）的第一激发电位。通过IA~VG2K曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一激发电位。
本电子管综合实验仪弗兰克—赫兹实验模块分为自动、手动二种模式。本实验只选取自动模式测量。
1. 自动模式测量IA~VG2K曲线
1） 按照图1.4b连接好实验电路，接通电源。
2） 主机启动后，在弗兰克—赫兹实验主菜单中点击“参数设置”，每台设备设置的参数不尽相同，具体数值在“电子管基座”铁箱上方已告知。参数设置好后请点“确认”。
3） 预热3分钟，点击弗兰克—赫兹实验主菜单的“自动模式”，然后点击“开始”，实验仪控制“加速电压
”自动从0增大到85V以0.1V的步距绘制IA~VG2K曲线，并将实验数据保存。
4） 注观察屏上曲线形态，拖动右侧滚动条可调节曲线高度。若曲线削峰，适当降低灯丝电压
；若削谷，适当降低拒斥电压
。重新开始，直到绘制出包括6个完好的峰和谷的IA~VG2K曲线。
5） 返回到弗兰克——赫兹实验主菜单，点击“数据查询”，屏幕上列出最近一次自动模式测量的数据，在数据列表中找到阳极电流
的每一个峰值和谷值，记录极值电流对应的加速电压
填入表2.1。
表2.1 自动模式IA~VG2K曲线峰、谷电压记录
序号i |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Vi+3-Vi /V |
平均值 |
||
峰VG2K /V |
||||||||||
谷VG3K /V |
||||||||||
2. 研究各电压对IA~VG2K曲线的影响
参照“电子管基座”铁箱上方已告知的最优参数表，假设灯丝电压
=a；第一栅极电压
=b；拒斥电压
=c（a、b、c为具体的数值）。
A） 拒斥电压
的影响
(1) 进入自动模式，在屏幕右下角选择参数类型，再配合“调节旋钮”设置好“灯丝电压
=a”与“第一栅极电压
=b”。然后设置“拒斥电压
=c”，并在屏幕右下角参数类型保持在“VGA”。
(2) 然后选择屏幕上方的“多条”选项，再按“开始”选项，开始循环绘制IA~VG2K曲线。此时要认真留意“VG2K”值的变化。
(3) 当“VG2K”值到达“85.0V”后会自动跳为“0.0V”并以0.1V的步距增大数值。此时切记在“VG2K”值在小于8.0V前迅速将拒斥电压“VGA”参数值改为“c-1.0V”，继续认真留意“VG2K”值的变化值，并拿出照相机准备拍摄屏幕上的曲线。
(4) 当“VG2K”值进入“43.0V~50.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线前三个波峰波谷的对比照。
(5) 当“VG2K”值进入“82.0V~85.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线后三个波峰波谷的对比照。
(6) 此时当“VG2K”值又自动跳为“0.0V”并以0.1V的步距增大数值。此时切记在“VG2K”值在小于8.0V前迅速将拒斥电压“VGA”参数值改为“c+1.0V”，依然认真留意“VG2K”值的变化值，并拿出照相机准备拍摄屏幕上的曲线。
(7) 当“VG2K”值进入“43.0V~50.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线前三个波峰波谷的对比照。
(8) 当“VG2K”值进入“82.0V~85.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线后三个波峰波谷的对比照。然后按下屏幕上方的“停止”选项，拒斥电压参数的分析已完成。（此步骤共拍摄四张图片）
(9) 分析不同拒斥电压下，曲线峰、谷对应的
有何变化？有何规律？
示例 不同拒斥电压
下IA~VG2K曲线对比分析图样
状态 |
前三个峰、谷对照 |
后三个峰、谷对照 |
图片记录 |
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图片记录 |
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分析说明 |
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B） 第一栅极电压
的影响
(1) 进入自动模式，在屏幕右下角选择参数类型，再配合“调节旋钮”设置好“灯丝电压
=a”与“拒斥电压
=c”。然后设置“第一栅极电压
=b”，并在屏幕右下角参数类型保持在“VG1K”。
(2) 然后选择屏幕上方的“多条”选项，再按“开始”选项，开始循环绘制IA~VG2K曲线。此时要认真留意“VG2K”值的变化。
(3) 当“VG2K”值到达“85.0V”后会自动跳为“0.0V”并以0.1V的步距增大数值。此时切记在“VG2K”值在小于8.0V前迅速将第一栅极电压“VG1K”参数值改为“b-0.3V”，继续认真留意“VG2K”值的变化值，并拿出照相机准备拍摄屏幕上的曲线。
(4) 当“VG2K”值进入“43.0V~50.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线前三个波峰波谷的对比照。
(5) 当“VG2K”值进入“82.0V~85.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线后三个波峰波谷的对比照。
(6) 此时当“VG2K”值又自动跳为“0.0V”并以0.1V的步距增大数值。此时切记在“VG2K”值在小于8.0V前迅速将第一栅极电压“VG1K”参数值改为“b+0.3V”，依然认真留意“VG2K”值的变化值，并拿出照相机准备拍摄屏幕上的曲线。
(7) 当“VG2K”值进入“43.0V~50.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线前三个波峰波谷的对比照。
(8) 当“VG2K”值进入“82.0V~85.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线后三个波峰波谷的对比照。然后按下屏幕上方的“停止”选项，第一栅极电压参数的分析已完成。（此步骤共拍摄四张图片）
(9) 分析不同第一栅极电压下，曲线峰、谷对应的
有何变化？有何规律？
示例 不同第一栅极电压
下IA~VG2K曲线对比分析图样
状态 |
前三个峰、谷对照 |
后三个峰、谷对照 |
图片记录 |
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图片记录 |
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分析说明 |
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C） 阴极灯丝电压
的影响
(1) 进入自动模式，在屏幕右下角选择参数类型，再配合“调节旋钮”设置好“第一栅极电压
=b”与“拒斥电压
=c”。然后设置“灯丝电压
=a”，并在屏幕右下角参数类型保持在“灯丝”。
(2) 然后选择屏幕上方的“多条”选项，再按“开始”选项，开始循环绘制IA~VG2K曲线。此时要认真留意“VG2K”值的变化。
(3) 当“VG2K”值到达“85.0V”后会自动跳为“0.0V”并以0.1V的步距增大数值。此时切记在“VG2K”值在小于8.0V前迅速将灯丝电压“灯丝”参数值改为“a-0.1V”，继续认真留意“VG2K”值的变化值，并拿出照相机准备拍摄屏幕上的曲线。
(4) 当“VG2K”值进入“43.0V~50.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线前三个波峰波谷的对比照。
(5) 当“VG2K”值进入“82.0V~85.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线后三个波峰波谷的对比照。
(6) 此时当“VG2K”值又自动跳为“0.0V”并以0.1V的步距增大数值。此时切记在“VG2K”值在小于8.0V前迅速将灯丝电压“灯丝”参数值改为“a+0.1V”，依然认真留意“VG2K”值的变化值，并拿出照相机准备拍摄屏幕上的曲线。
(7) 当“VG2K”值进入“43.0V~50.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线前三个波峰波谷的对比照。
(8) 当“VG2K”值进入“82.0V~85.0V”之间，迅速抓拍清晰的两条曲线后三个波峰波谷的对比照。然后按下屏幕上方的“停止”选项，灯丝电压参数的分析已完成。（此步骤共拍摄四张图片）
(9) 分析不同灯丝电压下，曲线峰、谷对应的
有何变化？有何规律？
示例 不同灯丝电压
下IA~VG2K曲线对比分析图样
状态 |
前三个峰、谷对照 |
后三个峰、谷对照 |
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图片记录 |
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分析说明 |
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六、【注意事项】
1．实验开始前连接线路及实验后拔除线路时，请勿触碰线路金属部分，避免高压对身体造成伤害；
2．灯丝电压不要超过3V，避免阳极电流超过量程。
七、【思考题】
1．为什么IA~VG2K曲线呈周期性变化？
2．如果IA~VG2K曲线出现削峰应该如何调节？ 如果出现削谷又应该如何调节？
3．分别改变灯丝电压
、第一栅极电压
、拒斥电压
对IA~VG2K有何影响，为什么？