利用固體物理LED發(fā)光原理測量普朗克常數(shù)

凌 濤，胡海寧，彭 麟，王 瑩

（上海電力學(xué)院，上海 201300）

利用固體物理LED發(fā)光原理測量普朗克常數(shù)

凌 濤，胡海寧，彭 麟，王 瑩?

（上海電力學(xué)院，上海 201300）

普朗克常數(shù)是物理學(xué)中一個重要的常數(shù)，利用二極管的量子特性探討運用發(fā)光二極管來測量普朗克常數(shù)。通過測量二極管的伏安曲線，確定其閾值電壓，根據(jù)相關(guān)量子理論，間接得出普朗克常數(shù)，通過與光電效應(yīng)法測量普朗克常數(shù)的測量結(jié)果相比較，結(jié)果表明此誤差略大，但作為一種新型的實驗方法探索，對于開拓學(xué)生的綜合素養(yǎng)還是非常有益的。

普朗克常數(shù)；發(fā)光二極管；閾值電壓

普朗克常數(shù)是近代物理學(xué)中一個具有重要意義的自然常數(shù)。測量普朗克常數(shù)的方法有波爾理論法［1］、黑體輻射法［2］、色散法［3］、光電效應(yīng)法［4］等多種方法。多數(shù)教材采用光電效應(yīng)方法來測來普朗克常數(shù)值。這里運用發(fā)光二極管來來測量普朗克常數(shù)，加深對發(fā)光二極管工作原理的理解，探索利用二極管的量子特性來測量普朗克常數(shù)。

采用LED發(fā)光二極管，對其伏安曲線進行測量，根據(jù)相關(guān)公式求得普朗克常數(shù)，根據(jù)這一原理開發(fā)了一套普朗克常數(shù)測定儀。

圖1　普朗克常數(shù)測定儀實驗裝置圖

圖2　實驗裝置原理圖

2　原理與方法

實驗過程中，精確的測量了紅、黃、綠3種不同顏色的LED伏安特性曲線，測量的實驗原理圖如圖2。采用對伏安特性曲線做切線的方法確定閾值電壓:切線與電壓軸的交點。

3　實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果

不同顏色的LED的U-V結(jié)果見表1。

表1　不同顏色的LED的U-V曲線

圖3　發(fā)光二極管伏安特性曲線

光電效應(yīng)法測定普朗克常數(shù):

表2　不同顏色的濾波片的截止電壓U

利用光電效應(yīng)測量普朗克常數(shù)實驗，主要通過測量截止電壓與頻率的關(guān)系，從而求出h值。我們測量了5種不同顏色的濾波片下截止電壓的數(shù)值，如表1-1所示。根據(jù)相關(guān)公式我們得出h= 6.64×10-34j·s，誤差為5.27%。

3　結(jié) 論

新方法原理直接、易懂，設(shè)備簡單。另外，這是一個“大學(xué)生科創(chuàng)項目”的一個作品，在設(shè)計制作本儀器的過程中，學(xué)生的動手能力和綜合素質(zhì)得到了很好的鍛煉。與傳統(tǒng)的光電效應(yīng)法相比LED法誤差還是有點大。該實驗的誤差來源主要來自于兩個因素:LED發(fā)光過程中，會發(fā)生紅移現(xiàn)象，波長變長，所以普朗克常數(shù)測量值都偏小。另外，電流表采取的是外接法，測得的LED兩端的電流偏大。

［1］ 曾慶明，用玻爾理論測量普朗克常數(shù)［J］.景德鎮(zhèn)高專學(xué)報，2005，20（2）:20-22.

［2］ 闊春宗，黑體輻射測定普朗克常數(shù)［J］.松遼學(xué)刊，1994（2）:41-44.

［3］ 劉絨俠.利用色散法探索玻爾氫原子理論測量普朗克常數(shù)［J］.大學(xué)物理實驗，2008，21（3）:4-7.

［4］ 王云志.光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析［J］.大學(xué)物理實驗，2011，24（2）:93-95.

［5］ 陸廷濟，費定曜，胡德敬，等.大學(xué)物理實驗［M］.上海:同濟大學(xué)出版社.1996.

［6］ 何杰，夏建白.半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:68-69.

Measuring Planck Constant Using a New Method

LING Tao，HU Hai-ning，PENG Lin，WANG Ying
（Power College of Shanghai，Shanghai 210030）

We got the forward threshold voltage by measuring the current-voltage characteristic of light emitting diode（LED）.Then，the Planck constant can be determined by our theory.The experiment results show that the theoretical value of Planck constant is in accord with the experiment data.

Planck constant；light emitting diode；current-voltage characteristics

O433.1

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.015

1007-2934（2015）02-0055-02

2014-10-23

上海電力學(xué)院課程建設(shè)項目（YKJ-2014010）；上海電力學(xué)院大學(xué)生科創(chuàng)項目（2012-10256-122）

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