Як пов'язані енергія і колір світла?

Схема досліду

Як пов'язані енергія і колір світла?

Стала Планка - фундаментальна світова стала квантової фізики. Вона з'являється в описі квантових явищ, у яких фізичні величини можуть набувати не будь-яких неперервних значень, а лише певних дискретних.

У цьому досліді сталу Планка визначають за вимірюваннями на світлодіодах (LED).

Попередні знання

Світлодіод - це напівпровідниковий елемент, і, як і діод, складається з шару з домішкою n-типу та шару з домішкою p-типу.

У напівпровіднику електрони можуть займати лише певні енергетичні зони.

Прикладанням напруги в прямому напрямі діода енергію електронів підвищують. Через це вони заселяють зону провідності з боку n і потім, перетнувши межу поділу, повертаються в енергетично нижчу валентну зону з боку p.

Там вони рекомбінують з наявними дірками. При цьому набута енергія знову вивільняється і (частково) випромінюється як світло.

Принцип

Заборонена зона, тобто різниця енергій валентної зони і зони провідності, у світлодіодах змінюється вибором матеріалів.

Що більша заборонена зона, то більшу енергію мусять мати електрони, щоб перейти з валентної зони в зону провідності.

Тому порогова напруга для різних світлодіодів різна. Водночас ширина забороненої зони впливає на енергію випромінених фотонів, а отже й на частоту чи колір світла.

З порогової напруги можна обчислити енергію електронів. Ця енергія відповідає енергії фотона. Якщо відкласти енергію фотона проти частоти світла, виявляється лінійна залежність. Нахил, тобто коефіцієнт пропорційності, і є сталою Планка .

Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

Схема досліду

Як пов'язані енергія і колір світла?

Стала Планка - фундаментальна світова стала квантової фізики. Вона з'являється в описі квантових явищ, у яких фізичні величини можуть набувати не будь-яких неперервних значень, а лише певних дискретних.

Визначте сталу Планка за вимірюваннями і спостереженнями на світлодіодах (англійською: Light Emitting Diode, або LED).

Виконання досліду

• Виберіть світлодіоди з кольорами УФ, синій, червоний та ІЧ.
• Надіньте на світлодіод тубус проти стороннього світла і затуліть отвір великим пальцем, щоб не допустити небажаного потрапляння світла.
• Напругу повільно підвищують, доки на амперметрі не з'явиться якомога менший сталий струм (близько 0,01 мА).

• Поверніть напругу на блоці живлення знову до нуля і замініть світлодіод.
• З наступними світлодіодами дійте так само.

Виконання досліду - варіант 2

Для цього варіанта амперметр не потрібен.

Тут початок світіння світлодіода визначають оком. Оскільки око не чутливе до ІЧ-світла, цей діод тут не використовують.

Щоб можна було піднести тубус до ока, кабелі в цьому досліді треба під'єднати до світлодіода ззаду.

• Піднесіть тубус проти стороннього світла зовсім близько до ока, щоб звести до мінімуму бічне потрапляння світла.
  
• Виберіть світлодіоди з кольорами УФ, синій, зелений і червоний.
  
• Заберіть амперметр.
  
• Надіньте на світлодіод тубус проти стороннього світла.

• Повільно підвищуйте напругу на блоці живлення і спостерігайте при цьому за світлодіодом оком.
• Щойно світлодіод почне жевріти, запишіть відповідну напругу у таблицю 2.
• Поверніть напругу на блоці живлення знову до нуля і замініть світлодіод.
• З наступними світлодіодами дійте так само.

1. Запишіть напругу .
2. Обчисліть із довжини хвилі світлодіодів, узявши як швидкість світла у вакуумі, частоту світла за формулою .
3. Визначте максимальну енергію , яку може мати збуджений електрон, через , де - елементарний заряд.

Результат - таблиця 1

Колір
LED уВ у нм уу

UV

синій

червоний

ІЧ

Обчисліть нахил до таблиці 1.