Оптика лабораторный практикум Пермь 2004 удк 53 (07): 378 оптика: лабораторный практикум
Скачать 1.15 Mb.
|
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКАС ПОМОЩЬЮ СВЕТОДИОДАЦель работы: познакомиться с одним из методов определения постоянной Планка. Приборы и принадлежности: светодиод с экраном, выпрямитель, вольтметр, оптическая скамья, дифракционная решетка, масштабная линейка. Краткие теоретические сведения Постоянная Планка. 100 лет назад немецкий физик Макс Планк впервые высказал мысль о том, что свет обладает не только волновыми, но и квантовыми свойствами. При установлении закона распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела Планк предположил, что нагретые тела излучают свет не непрерывно, а отдельными порциями -квантами. Он же указал, как вычислить энергию одного кванта ε = hν, где ν - частота света (свет - волновой процесс), h - коэффициент пропорциональности, который позже был назван постоянной Планка. Дальнейшее развитие физики показало, что h - это фундаментальная физическая константа, определяющая широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность величин, имеющих размерность произведения энергии на время. Светодиод (СД). Постоянная Планка определяется в данной работе через изучение свойств СД - полупроводникового прибора, преобразующего электрическую энергию в энергию оптического излучения (на основе электролюминесценции, происходящей в полупроводниковом (ПП) кристалле с электронно-дырочным переходом). Ниже дано более подробное описание ПП диодов вообще и СД в частности. ПП - это вещества, которые занимают по проводимости электрического тока промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Различают два вида ПП: п - типа и р - типа. В первом из них носителями зарядов являются электроны, а во втором - положительно заряженные «квазичастицы», называемые «дырками».  Если два ПП с разными видами проводимости привести в контакт (рис. 12.1,а), то электроны из п - ПП будут диффундировать в p - ПП и наоборот дырки из р - ПП будут переходить в п - ПП. В результате этих процессов на границе контакта в ПП n - типа возникнет объемный положительный заряд, а в ПП р - типа - отрицательный. Приконтактную область поэтому называют п - р или р - n переходом. Процесс диффузии зарядов будет продолжаться до тех пор, пока возникшая контактная разность потенциалов Uк (возникшее электрическое поле  ) не достигнет такого значения, при котором дальнейший диффузионный переход будет невозможен.Если сейчас к ПП n - типа (рис. 12.1,б) подключить отрицательный полюс источника тока, а к ПП р - типа – положительный (прямое напряжение), то, созданное таким образом электрическое поле, действует навстречу контактной разности потенциалов в п - р переходе. Последняя уменьшается, в результате чего большее число носителей заряда преодолевают «барьер» п - р перехода. Кроме того, при этом уменьшается толщина запирающего слоя, его сопротивление становится меньше и по системе идет электрический ток. Если источник внешнего напряжения подключить наоборот, т.е. положительный полюс к ПП п - типа, а отрицательный к ПП р -типа (обратное напряжение), то через п - р переход ток практически не пойдет. Таким образом, система с п - р переходом может играть роль выпрямителя - ток через систему идет только в одном направлении (диод). Можно, оказывается, создать (путем подбора соответствующих материалов) такую систему с п - р переходом, что при подключении ее к источнику с прямым напряжением U>Uк электроны будут беспрепятственно переходить в р - область и там спонтанно рекомбинировать с дырками с испусканием света. При этом устанавливается стационарное состояние: скорость рекомбинации электронов и их инжекция уравновешиваются (аналогичные процессы идут и с переходом дырок в п - область). Такая система непрерывно излучает световую энергию. Это и есть светодиод (СД). Таким образом, СД - это прибор, в котором электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую.    Конструктивно СД состоит из полупроводниковой структуры с п - р переходом, омических контактов и элементов конструкции, предназначенных для сбора и обеспечения направленности излучения (рис. 12.2). Материалом для СД служат соединения типа АIIIВV (фосфид галлия - GаР), имеющие ширину запрещенной зоны порядка 1,5-2,0 эВ и дающие красный или зеленый свет. Объем СД невелик ~ 200 мм3.  СД благодаря дешевизне, высокой надежности, большому сроку службы, малой потребляемой мощности нашли широкое применение в радиоэлектронике, системах информации (сигнальная индикация, подсветка шкал приборов и др.). При увеличении прямого напряжения, подаваемого на СД, ток, идущий через него, растет очень медленно. Но как только напряжение достигнет напряжения U0 (или чуть больше) сила тока резко возрастает и СД начинает излучать свет. Зависимость сила тока от напряжения показана на рис. 12.3. Теоретические основы определения постоянной Планка. Так как при каждом акте рекомбинации электрона и дырки получается один квант света с энергией ε = hν, а внешнее электрическое поле на перевод электрона через п - р - переход совершает работу А = еU0 (е - заряд электрона, U0 - величина внешнего поля, при котором СД начинает светиться), то е U0 = h ν, откуда h = eU0 / ν , где ν – частота излучаемого света. С учетом ν = с/λ, где с – скорость света в вакууме, λ – длина волны света  (12.1) Таким образом, для определения h нужно измерить U0 и λ (е и с - универсальные постоянные). Формула (12.1) является рабочей . Способы определения U0 и λ. Напряжение U0 находят по показанию вольтметра, непосредственно подключенного к СД. Для нахождения длины волны монохроматического света, излучаемого СД, используется дифракционная решетка (ДР). Линза и экран, имеющие место при обычном способе наблюдения, заменяются глазом наблюдателя (рис. 12.4): роль линзы выполняет оптическая система глаза, а роль экрана - сетчатка глаза. Наблюдатель, глядя через ДР в сторону СД, видит дифракционную картину на экране, расположенном на уровне СД. Определив угол дифракции φ, из условия максимума для ДР d·sin φ = kλ, где d - период решетки, k - порядок максимума, можно вычислить длину волны  . (12.2)Порядок выполнения работы
3.1. Убедиться в том, что при повышении напряжения, подаваемого на СД (вращением ручки выпрямителя), последний «зажигается». 3.2.Повторяя операцию, определить напряжение в момент зажигания U0 по показанию вольтметра. Измерения повторить не менее 7 раз; результаты занести в табл. 12.1. |
Похожие:
 | Лабораторный практикум является завершающим этапом в изучении бухгалтерского финансового и бухгалтерского управленческого учета |  | Лабораторный практикум по дисциплине «Безопасность товаров»./ Сост.: О. Н. Перелыгин |
| Шакурова М. В. Методика и технологии работы социального педагога: лабораторный практикум. – Воронеж: Воронежский государственный... | | Лабораторный практикум по дисциплине «Теоретические основы товароведения и экспертизы» / Сост. Ш. К. Ганцов, Л. Г. Цветкова, Р. Г.... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «Лабораторный практикум по бухгалтерскому учету (Сквозная задача по финансовому учету и управленческому... | | Рецензент: Сергеева И. А., к э н., заведующая кафедрой бухгалтерского учета, финансов и налогообложения |
| «Сварочное, литейное производство и материаловедение» фгбоу впо «Пензенский государственный университет» | | Учёт и документальное оформление поступления материально-производственных запасов в рганизацию |
| Орлов, А. И. Эконометрика. Учебник. – М.: Издательство "Экзамен", 2002. – 576с. 23 | | Орлов, А. И. Эконометрика. Учебник. – М.: Издательство "Экзамен", 2002. – 576с. 27 |