這個量子實驗，成本只需要10塊，要不要來試試？

實驗用燈泡是什麼原理

我在文章《

民科、只有1000塊人民幣、能不能搞科研？

》介紹了用較低成本進行相對論研究的方法，文中我曾經說，不建議做量子力學研究，畢竟量子力學研究的器材都太貴，不是1000塊能搞定的。有沒有能低成本體驗一下量子效應方案呢？其實也有，本文就給您介紹一種只需要10塊錢成本的發光二極體的製作方法。

二極體跟量子力學之間的關係

量子力學作為材料科學的基礎，在材料領域中有廣泛而且重要的作用，諸如半導體、鐳射、紅外、光電子、液晶、敏感及磁性材料等。尤其對半導體材料、磁性材料、超導體等有著決定性的影響，直接導致了這些材料領域的產生。對半導體的研究導致了二極體和三極體的發明，最後為現代的電子工業鋪平了道路。

LED發光二極體的原理

我們知道，白熾燈是透過電流加熱鎢絲到很高的溫度來產生光，所以點亮的燈泡表面都很燙，這說明了電能除了轉化成可見光之外，還有很大一部分轉化成了不可見的熱能（紅外光）。而LED則不是透過加熱材料導致發光。

在高中物理課上學到過，原子核外的電子，分佈在特定能級的軌道上，電子只能從一個軌道跳躍到另外一個軌道上，不存在中間過渡狀態，由於能量守恆原理，當電子從高能級跳躍到低能級的時候，就會釋放出兩個能級差的光子。

如果我們把許多的原子湊在一起，則原子的外層電子之間就會相互影響，形成聚整合組的能級，這種能級被稱為能帶。電子通常是處於能量較低的能帶裡，這裡叫做價帶，而能量較高的能帶被稱為導帶。在價帶和導帶之間會有一個非常關鍵的空隙，叫做能隙，也叫禁帶。

與原子內電子躍遷類似，要想讓半導體材料發光，就需要有電子從導帶躍遷到價帶，由於能量守恆，這個電子就會釋放出光子，其能量等於能隙的寬度。如果向純淨的單晶矽中摻入一點氮或者是磷，這些原子比矽原子最外層多一個電子，所以它們取代了部分矽原子之後，就會使晶體中多處一些自由電子。

由於價帶的電子已經滿了，按照泡利不相容原理，這些電子只能移動到導帶，這種半導體就叫做N型半導體。

但此時的半導體並不能發光，因為，儘管此時導帶上有了電子，但如果讓它們發生向價帶躍遷，價帶上卻沒有位置來容納它們。因此，要想讓這個半導體發光，除了有高能級的電子之外還需要有低能級的空位。

產生空位的辦法還是向單晶矽中摻雜。如果這次我們摻入的是鋁或者硼這類元素，它們的最外層電子比矽少一個，所以它們取代了晶體矽中的部分原子之後，就會製造出一些空位來，這種半導體叫做P型半導體。

當P型半導體與N型半導體緊密結合時，N型半導體中處於導帶的電子就會躍遷到P型半導體的價帶空位上，就可以發出光來。如果沒有外部電源，這個過程就是不能持續的。等到所有多餘的電子都填充到空位，發光就結束了，形成一個耗盡層。這個層阻止了N型半導體中的電子進一步與P型半導體中的空位進行復合。

動手製作一個發光二極體

明白了發光二極體的原理，現在我們要親手來製作一個。所需要的材料非常簡單，一個可變電源，兩根銅導線，以及本次製作的主材料——一塊碳化矽礦石。

碳化矽就是常見的金剛砂，經常用來打磨物體的砂紙表面就是這種物質，因為金剛砂硬度非常高，僅次於金剛石。高純度的碳化矽是無色透明的晶體，但我們能從某寶上買到的通常都是有些發黑而且不透明的，表面粗糙不怕，間或有一些小塊光滑的地方在陽光下色彩斑斕，很漂亮。小一點的大約是幾塊錢。

實驗裝置非常簡單，把礦石用導線連線到可變直流電源的正極，另一根導線接到電源的負極上，用砂紙將導線的末端拋光，調整電源電壓在10V以上，之後就可以用導線的末端去觸碰礦石表面，走運的話，就可以看到有的地方可以發出閃光。

之所以並不是所有的地方都能發光，這是因為能發光的地方只是少數，特別是那些色彩斑斕的地方，那是因為表面有一層薄薄的二氧化矽薄膜，其色彩正是來源於這層膜對外來光線的薄膜干涉。由於二氧化矽不導電，所以阻礙了發光二極體的形成。

實驗分析

我們注意到，用於觸碰礦石表面的銅導線是連線在電源的負極上，這是因為，碳化矽是一種P型半導體，我們這裡是利用金屬銅裡面遊離的電子來代替P型半導體中的多餘電子。所以當銅導線連線到電源的負極時，就可以縮小耗盡層的區域，銅線中的電子就在電場的作用下躍遷到P型半導體的空位上去，從而發光。

這種由金屬和半導體組成的二極體也叫做肖特基二極體，與常見的由P型和N型半導體組成的二極體相比區別較大。

另外一個需要注意的現象是，在實驗中我們可以發現，這次做的發光二極體一般可以發出藍光或者是淡綠色的光。一個發光二極體所能發出的光的顏色是由半導體中的能隙決定的。由於某寶上的碳化矽礦石中會包含各種雜質，所以存在多個不同的價帶。

從銅導線中跑出來的電子如果躍遷到不同的價帶上，由於能隙寬度不一樣，所以發出的光的波長就會不同，所以我們會看到不同顏色的光。

結束語

關於如何用10塊錢成本，手工製作一個發光二極體，體驗量子力學的魅力我們就簡單介紹到這裡。在今天這樣一個科技高速發展的社會里，幾乎處處都離不開量子力學。不論是現代的資訊行業還是傳統的冶金、化工，還是蒸蒸日上的航空航天領域，量子力學都在大展身手。如果您對量子力學在這些領域中的應用很好奇，歡迎您在評論區留言，我會一一回答。

文/郭哥聊科學，圖片來自網路侵刪。