Измерение постоянной Планка с помощью светодиодов
Ещё одна необычная публикация. Предлагаем всем желающим ознакомиться и, возможно, самостоятельно опробовать метод измерения постоянной Планка с помощью подручных средств – в том числе нескольких цветных светодиодов. Данный материал является неполным переводом статьи, опубликованной в феврале 2016 года на сайте arxiv.org. Ссылка на оригинал с подробными инструкциями и математическими выкладками доступна под текстом, здесь же мы опишем процесс только в общих чертах.
Постоянная Планка – это одна из фундаментальных физических величин, связывающая величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой. Принцип работы светодиодов основан на обратном фотоэффекте, при котором вследствие взаимодействия электронов и дырок испускаются фотоны. Согласно закону сохранения энергии существует вполне определённая связь между энергией фотона (в которую как раз и входит постоянная Планка), пороговым напряжением, при котором светодиод начинает излучать, и характеристической функцией самого светодиода.
Начинается эксперимент с электрической части, в ходе которой устанавливаются пороговое напряжение и вольтамперная характеристика светодиодов. Изменяя с помощью потенциометров (резисторов с изменяемым сопротивлением) сопротивление электрической цепи можно с помощью простого тестера установить как пороговое значение напряжения, при котором светодиод начинает испускать свет, так и зависимость силы тока, протекающего через светодиод, от приложенного к нему напряжения.
Далее – часть оптическая. Необходимо измерить значения длин волн конкретных светодиодов. Здесь на помощь приходит обыкновенный компакт-диск. Расстояние между его дорожками известно, и оно всегда одинаковое. Если удалить отражающий слой, то оставшаяся прозрачная часть представляет собой ни что иное, как дифракционную решётку. Из школьного курса физики кто-то, возможно, вспомнит, что при прохождении луча через такую решётку образуется одно световое пятно непосредственно напротив источника. Но помимо него за счёт интерференции образуются ещё несколько пятен с меньшей интенсивностью на некотором расстоянии от основного. И вот это расстояние как раз и зависит от длины волны света. А значит, измерив его, можно узнать и точное значение длин волн для каждого светодиода.
Ну а дальше, сравнив значения для разных светодиодов и исходя из предположения, что модели одной серии имеют схожие характеристики, определяемые используемыми материалами, можно с достаточной точностью определить значение постоянной Планка.
Конечно, исходя из нашего вольного пересказа, повторить эксперимент будет достаточно проблематично – поэтому приглашаем всех ознакомиться с оригиналом статьи по ссылке ниже. Обращаясь ко всем взрослым, чьи дети интересуются физикой – попробуйте сделать это вместе с ними. Благо используемые приборы и материалы скорее всего найдутся в любом доме, а светодиоды сейчас можно купить с доставкой почтой без всяких проблем. Потратив несколько часов своего времени, вы, возможно, на всю жизнь привьёте своему ребёнку любовь к практической науке. Но только не забудьте о технике безопасности при работе с электрическими приборами! Никакой ответственности за возможные травмы мы не несём.