LED 估普朗克常数
不同颜色的 LED,点亮电压不一样。差值里藏着一个常数。
| 需要 | 万用表、10kΩ 多圈电位器、5 种不同颜色的 LED(红/黄/绿/蓝/紫)、电池盒(3–5V)、面包板或直接焊 |
| 时间 | 1 小时 |
| 花费 | ¥30 |
| 难度 | ★★★ |
| 验收 | 算出 3×10⁻³⁴ 到 9×10⁻³⁴ 之间的数,且电压随波长单调变化 |
为什么值得做
LED 发光的条件是:电子跨过半导体带隙,放出一个光子。光子能量 E = hc/λ,而带隙近似等于点亮电压乘电子电荷 E ≈ eV。
所以:波长越短,需要点亮的电压越高。把 5 个点测出来画一条线,斜率就能反推普朗克常数。
这是少数几个用几十块钱在家测出量子力学常数的实验。
怎么做
- 查(或估)每种 LED 的峰值波长:红 630nm、黄 590nm、绿 525nm、蓝 470nm、紫 405nm。买的时候商品页一般有。
- 接电路:电池 → 多圈电位器 → LED → 回电池。万用表电压档跨在 LED 两端。
- 在暗室里,从 0 开始慢慢调电位器升压。眼睛贴近 LED(别直射),记下"刚能看出一点光"时的电压。
- 每种颜色做 3 次,取平均。
- 画
V对1/λ的图,拟合斜率k,则
h = k × e / c
其中 e = 1.602×10⁻¹⁹ C,c = 3×10⁸ m/s。
算一下
典型数据:
| 颜色 | λ (nm) | V_on (V) |
|---|---|---|
| 红 | 630 | 1.8 |
| 黄 | 590 | 1.9 |
| 绿 | 525 | 2.2 |
| 蓝 | 470 | 2.7 |
| 紫 | 405 | 3.0 |
斜率约 1.4×10⁻⁶ V·m,算出来 h ≈ 7×10⁻³⁴ J·s(真值 6.63×10⁻³⁴)。数量级对就算成功。
坑
- "刚发光"是主观判断。固定暗室、固定距离、同一双眼睛,三次取平均。
- 白光 LED 不能用,它是蓝光芯片加荧光粉。
- 万用表的输入阻抗会把微小电流分走,读数偏低。
- 电位器要能细调,普通单圈电位器跳得太粗。
- 实际点亮电压还包含串联电阻和理想因子的影响,所以这注定是个"估算",不是精确测量。
想再往前一步
- 用示波器或单片机采 I-V 曲线,找拐点,比"肉眼判定"客观。
- 同一个颜色的不同厂家 LED 对比,看差多少。
- 反过来:如果你信
h,可以用这个方法估未知 LED 的波长。
安全
电压 ≤ 5V,安全。不要直视 LED,尤其是紫光和蓝光。
做完把结果贴到 RESULTS.md。