Теоретическая часть. Как известно, разрешенные значения энергии электронов в атоме отделены друг от друга широкими областями запрещенных энергий

Как известно, разрешенные значения энергии электронов в атоме отделены друг от друга широкими областями запрещенных энергий. При объединении атомов в твердое тело энергетические состояния электронов изолированных атомов изменяются. Вместо разрешенных энергетических уровней возникают энергетические полосы, или зоны разрешенных значений энергии, которые по-прежнему остаются отделенными друг от друга областями, соответствующими запрещенным значениям энергии. В наибольшей степени это касается внешних, валентных электронов, которые слабее связаны со своими ядрами.

Подобно тому, как в изолированном атоме электроны могут совершать переходы между энергетическими уровнями, электроны в кристаллах могут переходить из одной зоны в другую. В примесных полупроводниках, как электронных, так и дырочных, такой переход осуществляется под воздействием электрического поля источника тока. Обратный процесс перехода электрона может сопровождаться излучением кванта света.

Излучение света при переходе электрона из состояния с более высокой энергией в состояние с меньшей энергией лежит в основе работы светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Для того чтобы электрон мог совершить переход в разрешенное состояние с более высокой энергией, он должен приобрести в электрическом поле энергию, равную ширине запрещенной зоны. Энергия, приобретаемая электроном в электрическом поле, составляет . Энергия фотона , излучаемого при обратном переходе электрона в нижнее энергетическое состояние также приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Таким образом, с учетом можно записать

,

откуда

,

(1)

где h – постоянная Планка, l – длина волны света, излучаемого полупроводниковым переходом, с – скорость света, е – заряд электрона, U – напряжение, приложенное к переходу.

Таким образом, для определения постоянной Планка необходимо измерить длину волны излучаемого полупроводниковым прибором света и измерить напряжение, при котором переход начинает излучать световые кванты.

В работе длина волны излучения определяется с помощью дифракционной решетки с известным периодом. Если падающий луч длинной волны излучения l, перпендикулярен поверхности решетки, период которой равен d, то угол j и порядок k дифракции связаны соотношением:

.

Из последнего выражения находим длину волны полупроводникового лазера

.

(2)

Электрическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 8, а. Все элементы этой цепи за исключением вольтметра смонтированы на платформе (рис. 8, б). Полупроводниковый лазер Л прикрепляется к магниту, в результате чего, вращая лазер можно регулировать необходимое направление лазерного луча по вертикали. Дифракционная решетка Д также прикрепляется к двум магнитам, её период написан на краю стальной рамки. Напряжение на полупроводниковом лазере регулируется с помощью переменного резистора R. Для измерения напряжения используется мультиметр, который подключается к имеющимся на платформе клеммам U. Включение лазера осуществляется переключателем К.

а	б
Рис. 8. Схема установки

10.3. Приборы и принадлежности:

– Платформа с лазером и схемой питания – 1 шт.

– Линейка с магнитами – 1 шт.

– Дифракционная решетка – 2 шт.

– Цифровой вольтметр – 1 шт.

– Рулетка – 1 шт.