 |
Содержание работы.
1. Постоянная Планка: её физический смысл и научное значение........2
2. Постановка цели работы....................................................................... 3.
3. Идея выполнения работы.......................................................................4
4. Экспериментальная установка и работа с ней......................................6
5. Основные узлы установки......................................................................8
6. Работа с отражательной решёткой.........................................................10
7. Результаты эксперимента.......................................................................14
8. Анализ результатов.................................................................................23
9. Список литературы.
10. Приложения.............................................................................................26
11. Определение постоянной Планка..........................................................26
12. Элементы зонной теории полупроводников........................................27
 |
Постоянная Планка: её физический смысл
и научное значение
14 декабря 1900 г. в зале заседаний Немецкого физического общества родилась новая наука — учение о квантах. Сухо и обстоятельно ординарный профессор физики Макс Планк прочел перед небольшой аудиторией сугубо специальный доклад «К теории закона распределения энергии в нормальном спектре». В тот день мало было людей, которые понимали величие момента. Признание пришло позже, и лишь много позже осмыслили значение постоянной величины, о которой упоминалось в докладе, для всего атомного мира. Она оказалась очень маленькой: h = 6,626075*10-34 Дж. с, но именно она открыла дверь в мир квантовых явлений. И всегда, когда мы из мира привычного и классического хотим перейти в мир необычный и квантовый, мы должны пройти через эту узкую дверь.
Среди череды универсальных констант природы h принадлежит особое место. Почти все физические величины, будь то масса, заряд, момент импульса и т. д., имеют свой квант — предельную минимальную величину. Сегодня квантуют даже пространство и время, но только на очень малых масштабах, где самих квантов не много, т. е. предельная минимальная величина сравнима с наблюдаемой. Квантовый масштаб мира определяется постоянной Планка h — квантом действия. Именно эта константа позволяет отличать микрообъекты от макрообъектов: если квант действия способен изменить состояние объекта, то это объект микромира и его следует описывать квантовыми закономерностями, которые являются сугубо статистическими. В противном случае имеем классический макрообъект.
Таким образом, любой «шаг в сторону» — уменьшение масштаба или увеличение количества частиц — «приравнивается к побегу» из мира классической механики.
Найдя удивительно точное выражение для распределения энергии в спектре чёрного тела, Планк понимал, что полученное соотношение является «лишь счастливо обнаруженной интерполяционной формулой». Он писал: «...с самого дня её установления передо мной возникла задача — отыскать её подлинный физический смысл. ...Либо [это] фиктивная величина, и тогда весь вывод закона излучения был в принципе ложным и представлял собой всего лишь пустую игру в формулы, лишённую смысла, либо же вывод закона излучения опирается на некую физическую реальность, и тогда квант действия должен приобрести фундаментальное значение в физике и представляет собой нечто совершенно новое и неслыханное, что должно произвести переворот в нашем физическом мышлении, основывавшемся со времён Лейбница и Ньютона, открывших дифференциальное исчисление, на гипотезе непрерывности всех причинных соотношений»...
Постановка цели работы.
Прошёл век, но и сегодня фундаментальность постоянной не нашла отражения в школьном курсе и тем более в школьном эксперименте. Методы измерения h, предлагаемые в ВУЗАх, требуют либо сложного, дорогостоящего оборудования, либо сложных, не безопасных технологических процессов. Примером тому может служить определение постоянной Планк по коротковолновой границе рентгеновского излучения. (Работа физпрактикума, проводимого в МФТИ). В школьном практикуме подобные работы просто отсутствуют.
В 2000 году к нам попала рукописная записка Попова Эдуарда Степановича, в которой выдвигается оригинальное предложение определения постоянной Планка по излучению светодиодов. В основе метода лежит зонная теория полупроводников и метод измерения длины волны излучения при помощи дифракционной решётки. Оборудование доступное, методики стандартные.
Эта информация однозначно определила цель исследования:
Ø экспериментальная проверка предложенной идеи
Ø определение оптимальных условий выполнения эксперимента;
Ø разработка эксперимента позволяющего получить результат с минимальной погрешностью;
Ø разработка лабораторной работы физического практикума по определению константы постоянной Планка.
Идея выполнения работы.
Планк утверждает что энергия кванта E=hn, где n - частота излучения, а h – постоянная величина. Значит, h=
. Но n=
, где с – скорость света в вакууме, 
- длина волны света. При помощи дифракционной решётки можно определить =
, где d – постоянная решётки, а k – порядок спектра. a - угол между направлениями на центральный и k-ый максимум спектра. Остаётся определить E.
Энергия фотона (Е) выделяемая при излучении численно равна работе (A) совершённой электрическим полем над атомом при переводе его в возбуждённое состояние, т. е. E=A Процесс возбуждения атома связан с переходом электрона с одного энергетического уровня на другой. Остаётся открытым вопрос об определении работы электрического поля. С. предлагает для решения этого вопроса использовать светодиод.
Из всей огромной совокупности свойств светодиодов рассмотрим лишь те, которые позволяют понять, почему энергия излучаемых фотонов может быть определена не только по формуле Планка, но и через макропараметры тока в электрической цепи со светодиодом: E = Uq
Действие светодиода основано на принципе обратимости процессов в квантовом микромире. Если в зону проводимости каким-либо способом «накачать» избыточные электроны и одновременно обеспечить возможность их беспрепятственного перехода в валентную зону (это - межзонная рекомбинация), то при каждом акте электронного перехода в кристалле будет рождаться фотон с энергией, равной изменению энергии электрона, т. е. равной E. В этом случае задача по определению h сведется к нахождению энергии необходимой для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости.
Светодиоды - источники спектрально чистого излучения. Подавая на светодиод напряжение прямого смещения, снижают потенциальный барьер р - n-перехода - начинается инжекция, накачка электронов в n-область. Каждый электрон, «взбираясь» на потенциальный барьер, берет от источника питания почти ровно столько же энергии, сколько он потом при рекомбинации передает фотону.
При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается и его сопротивление в прямом направлении. Становится малым: от единицы до десятка Ом.
Поскольку высота барьера при отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к п—р переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта), что приведёт к резкому возрастанию тока. Особенно важно, что при некотором прямом напряжении можно вообще уничтожить потенциальный барьер в п – р - переходе. Тогда сопротивление перехода, т. е. запирающего слоя, станет близким к нулю и им можно будет пренебречь. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления п - и р – области. Поясним это числовым примером
Пусть в некотором диоде при прямом напряжении, близком к нулю, сопротивление запирающего слоя равно 200 Ом, а сопротивление п- и р - областей — по 5 Ом. Ясно, что в этом случае полное сопротивление диода составляет 200+2 5 = 210 Ом, т. е. примерно равно сопротивлению самого п - р - перехода (200 Ом). А если при некотором прямом напряжении барьер исчезает, и сопротивление перехода становится 0,5 Ом, то полное сопротивление, равное теперь 0,5+2 5 = 10,5 Ом, можно приближенно считать состоящим только из двух сопротивлении по 5 Ом.
Значит, при создании ситуации разрушения потенциального барьера резко увеличивается ток при ничтожном изменении напряжения. Назовем напряжение, при котором это произойдет - пороговым напряжением. Используя его можно определить энергию, необходимую для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости для п—р перехода. A =Uqe. В дальнейшем, при обратном переходе эта энергия выделяется в виде энергии фотона.
Итак, в итоге h=
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
Основные порталы (построено редакторами)