Farebná optika

Energetické pásma

kovy

Valenčné elektróny, ktoré v iných látkach vytvárajú väzbu medzi jednotlivými atómami alebo malými skupinami atómov, zdieľajú všetky atómy v kuse kovu rovnako. Tieto delokalizované elektróny sú teda schopné pohybovať sa po celom kuse kovu a poskytovať kovový lesk a dobrú elektrickú a tepelnú vodivosť kovov a zliatin. Teória pásov vysvetľuje, že v takomto systéme sú jednotlivé úrovne energie nahradené súvislou oblasťou nazývanou pás, ako je to v diagrame hustoty stavov pre medený kov zobrazený na obrázku. Tento diagram ukazuje, že počet elektrónov, ktoré môžu byť umiestnené v pásme pri akejkoľvek danej energii, sa mení; v meďi počet klesá, keď sa prúžok priblíži elektrónom. Počet elektrónov v medi vyplní pásmo na uvedenú úroveň a ponechá nejaký prázdny priestor pri vyšších energiách.

Keď je fotón svetla absorbovaný elektrónom blízko vrcholu energetického pásma, elektrón sa zvýši na vyššiu dostupnú úroveň energie v pásme. Svetlo je tak intenzívne absorbované, že môže preniknúť do hĺbky len niekoľkých stoviek atómov, zvyčajne menších ako jedna vlnová dĺžka. Pretože kov je vodičom elektriny, toto absorbované svetlo, ktoré je koniec koncov elektromagnetickou vlnou, indukuje na kovovom povrchu striedavé elektrické prúdy. Tieto prúdy okamžite obnovujú fotón z kovu, čím poskytujú silný odraz lešteného kovového povrchu.

Účinnosť tohto procesu závisí od určitých pravidiel výberu. Ak je účinnosť absorpcie a spätného odberu približne rovnaká pri všetkých optických energiách, rôzne farby v bielom svetle sa odrazia rovnako dobre, čo vedie k „striebornej“ farbe lešteného striebra a železa. V prípade medi klesá účinnosť odrazu so zvyšujúcou sa energiou; znížená odrazivosť na modrom konci spektra vedie k červenkastej farbe. Podobné úvahy vysvetľujú žltú farbu zlata a mosadze.

Čisté polovodiče

V mnohých látkach sa v diagrame hustoty stavov objavuje pásová medzera (pozri obrázok). To sa môže stať napríklad vtedy, keď je v čistej látke priemer presne štyroch valenčných elektrónov na atóm, čo vedie k úplne úplnému dolnému pásmu, ktorý sa nazýva valenčný pás, a k presne prázdnemu hornému pásmu, vodivému pásmu. Pretože v medzere medzi týmito dvoma pásmami nie sú žiadne úrovne elektrónovej energie, najnižšie energetické svetlo, ktoré môže byť absorbované, zodpovedá šípke A na obrázku; to predstavuje excitácii elektrónu z hornej časti valenčného pásu až do dolnej časti pásma vodivosti a zodpovedá pásmové medzery energie určené e _g. Svetlo akejkoľvek vyššej energie sa môže absorbovať, ako je to znázornené šípkami B a C.

Ak má látka veľkú medzeru v páse, ako napríklad 5,4 eV diamantu, potom sa vo viditeľnom spektre nemôže absorbovať žiadne svetlo a keď je látka čistá, je bezfarebná. Také polovodiče s veľkou šírkou pásma sú vynikajúce izolátory a spravidla sa s nimi zaobchádza ako s iónovými alebo kovalentne viazanými materiálmi.

Pigment kadmia žltý (sulfid kadmia, známy tiež ako minerálny greenockit) má menšiu medzeru v pásme 2,6 eV, čo umožňuje absorpciu fialovej a modrej, ale žiadne z ostatných farieb. To vedie k jeho žltej farbe. Trochu menšia medzera v páse, ktorá umožňuje absorpciu fialovej, modrej a zelenej, vytvára oranžovú farbu; ešte menšia medzera v pásme ako pri 2,0 eV pigmentovej vermiliónu (sulfid ortutnatý, minerálny cinnabar) vedie k absorbovaniu všetkých energií okrem červenej, čo vedie k červenej farbe. Všetko svetlo sa absorbuje, keď je energia pásmovej medzery nižšia ako limit 1,77 eV (700 nm) viditeľného spektra; úzke polovodiče s úzkymi pásmami, ako napríklad galen sulfidu olova, preto absorbujú všetko svetlo a sú čierne. Táto sekvencia bezfarebnej, žltej, oranžovej, červenej a čiernej je presná škála farieb dostupných v čisto polovodičoch.

Dopedované polovodiče

Ak je v polovodiči (ktorý sa potom označuje ako doping) prítomný atóm nečistoty, často nazývaný dopant, a má iný počet valenčných elektrónov ako atóm, ktorý nahrádza, v medzere v pásme sa môžu vytvoriť ďalšie úrovne energie. Ak nečistota obsahuje viac elektrónov, ako je napríklad dusíkatá nečistota (päť valenčných elektrónov) v diamantovom kryštáli (pozostávajúcom z uhlíkov, z ktorých každý má štyri valenčné elektróny), vytvorí sa hladina donora. Elektróny z tejto úrovne môžu byť excitované do vodivého pásma absorpciou fotónov; k tomu dochádza iba na modrom konci spektra v diamantom dopovanom dusíku, čo vedie k doplnkovej žltej farbe. Ak nečistota obsahuje menej elektrónov ako atóm, ktorý nahrádza, ako napríklad nečistota bóru (tri valenčné elektróny) v diamantu, vytvorí sa hladina otvoru. Fotóny sa teraz môžu absorbovať excitáciou elektrónu z valenčného pásu do úrovne diery. U diamínu dopovaného bórom sa to vyskytuje iba na žltom konci spektra, čo vedie k tmavomodrej farbe ako v slávnom diamantu Hope.

Niektoré materiály, ktoré obsahujú donory aj akceptory, môžu absorbovať ultrafialové alebo elektrické energie a vytvárať viditeľné svetlo. Napríklad fosforové prášky, ako napríklad meď obsahujúca sulfid zinočnatý a ďalšie nečistoty, sa používajú ako povlak vo žiarivkách na premenu veľkého množstva ultrafialovej energie produkovanej ortuťovým oblúkom na žiarenie. Fosfory sa tiež používajú na natieranie vnútornej strany televíznej obrazovky, kde sú aktivované prúdom elektrónov (katódové lúče) v katodoluminiscencii a v žiarivých farbách, kde sú aktivované bielym svetlom alebo ultrafialovým žiarením, ktoré ich spôsobuje vykazujú pomalý svetelný rozklad známy ako fosforescencia. Elektroluminiscencia je výsledkom elektrickej excitácie, ako keď sa fosforový prášok ukladá na kovovú dosku a zakrýva sa priehľadnou vodivou elektródou na vytvorenie svetelných panelov.

Injekčná elektroluminiscencia nastáva, keď kryštál obsahuje spojenie medzi rôznymi dopovanými polovodičovými oblasťami. Elektrický prúd bude produkovať prechody medzi elektrónmi a dierami v spojovacej oblasti, pričom uvoľní energiu, ktorá sa môže javiť ako takmer monochromatické svetlo, ako napríklad v diódach emitujúcich svetlo (LED), ktoré sa bežne používajú na zobrazovacích zariadeniach v elektronických zariadeniach. Pri vhodnej geometrii môže byť emitované svetlo monochromatické a koherentné ako v polovodičových laseroch.