Spalvinė optika

Energijos juostos

Metalai

Valentiniai elektronai, kurie kitose medžiagose sukuria ryšį tarp atskirų atomų ar mažų atomų grupių, yra vienodai paskirstomi visiems atomams metalo gabalėlyje. Taigi šie delokalizuoti elektronai gali judėti per visą metalo gabalą ir suteikti metalui blizgesį bei gerą metalų ir lydinių elektrinį ir šilumos laidumą. Juostų teorija paaiškina, kad tokioje sistemoje individualūs energijos lygiai yra keičiami ištisine sritimi, vadinama juosta, kaip pavaizduota vario metalo būsenų tankio diagramoje. Ši diagrama parodo, kad elektronų, kuriuos galima talpinti juostoje esant bet kuriai energijai, skaičius skiriasi; varyje skaičius mažėja, artėjant juostai, užpildytai elektronų. Vario elektronų skaičius užpildo juostą iki rodomo lygio, paliekant šiek tiek tuščios vietos esant aukštesnėms energijoms.

Kai elektronas sugeria šviesos fotoną šalia energijos juostos viršaus, elektronas pakeliamas į aukštesnę juostos energijos lygį. Šviesa yra taip intensyviai sugeriama, kad gali prasiskverbti tik į kelių šimtų atomų, paprastai mažesnių nei vienos bangos ilgio, gylį. Kadangi metalas yra elektros laidininkas, tai absorbuojama šviesa, kuri, galų gale, yra elektromagnetinė banga, indukuoja kintamąsias elektros sroves metalo paviršiuje. Šios srovės tuoj pat pakartoja fotoną iš metalo, taip užtikrindamos stiprų poliruoto metalo paviršiaus atspindį.

Šio proceso efektyvumas priklauso nuo tam tikrų atrankos taisyklių. Jei sugerties ir remisijos efektyvumas yra apytiksliai lygus visoms optinėms energijoms, skirtingos spalvos baltoje šviesoje atsispindės vienodai gerai, o tai lems „sidabrinę“ poliruoto sidabro ir geležies paviršiaus spalvą. Varyje atspindžio efektyvumas mažėja didėjant energijai; sumažėjęs atspindėjimas mėlyname spektro gale suteikia rausvai spalvą. Panašios aplinkybės paaiškina geltoną aukso ir žalvario spalvą.

Gryni puslaidininkiai

Daugelio medžiagų būsenos tankio diagramoje atsiranda juostų tarpas (žr. Paveikslą). Tai gali atsitikti, pavyzdžiui, kai grynoje medžiagoje yra vidutiniškai tiksliai keturi valentiniai elektronai, tenkantys vienam atomui, ir gaunasi visiškai visa apatinė juosta, vadinama valentine juosta, ir tiksliai tuščia viršutinė juosta, laidumo juosta. Kadangi tarpe tarp dviejų juostų nėra elektronų energijos lygių, žemiausia energija, kurią galima sugerti, atitinka rodyklę A paveiksle; tai rodo elektrono sužadinimą nuo valentinės juostos viršaus iki laidumo juostos apačios ir atitinka juostos tarpo energiją, žymimą E _g. Taip pat gali būti absorbuojama bet kurios didesnės energijos šviesa, kaip rodo rodyklės B ir C.

Jei medžiagoje yra didelis juostos tarpas, pavyzdžiui, 5,4 eV deimantas, tada matomojo spektro šviesa negali būti absorbuojama, o medžiaga atrodo bespalvė, kai ji yra gryna. Tokie dideli juostiniai tarpai puslaidininkiai yra puikūs izoliatoriai ir dažniausiai yra traktuojami kaip joninės arba kovalentiškai sujungtos medžiagos.

Kadmio geltonojo pigmento (kadmio sulfidas, dar žinomas kaip mineralinis greenockite) juostos tarpas yra mažesnis - 2,6 eV, o tai leidžia absorbuoti violetinę ir šiek tiek mėlyną, bet nei vieną kitą spalvą. Tai lemia geltoną spalvą. Šiek tiek mažesnis juostos tarpas, leidžiantis absorbuoti violetinę, mėlyną ir žalią spalvas, suteikia oranžinę spalvą; dar mažesnis juostos tarpas, koks yra 2,0 eV pigmento vermiliono (gyvsidabrio sulfido, mineralinio cinamono), sukelia visas energijas, tačiau raudona yra absorbuojama, o tai lemia raudoną spalvą. Visa šviesa sugeriama, kai juostos tarpo energija yra mažesnė už matomo spektro 1,77 eV (700 nm) ribą; siauri juostos tarpo puslaidininkiai, tokie kaip švino sulfido galena, sugeria visą šviesą ir yra juodi. Ši bespalvių, geltonų, oranžinių, raudonų ir juodų spalvų seka yra tikslus spalvų diapazonas, pasiekiamas grynuose puslaidininkiuose.

Pusiau laidūs puslaidininkiai

Jei priemaišų atomas, dažnai vadinamas pagalbiniu elementu, yra puslaidininkyje (kuris tada žymimas kaip leduotas) ir turi kitokį valentinių elektronų skaičių nei atomas, kurį jis pakeičia, juostos tarpelyje gali susidaryti papildomi energijos lygiai. Jei priemaiša turi daugiau elektronų, pavyzdžiui, azoto priemaiša (penki valentiniai elektronai) deimantiniame kristale (susidedantis iš anglies, kurių kiekvienas turi keturis valentinius elektronus), susidaro donoro lygis. Šio lygio elektronai gali sužadinti į laidumo juostą absorbuodami fotonus; tai įvyksta tik mėlyname spektro gale azoto turinčiu deimantu, gaunant papildomą geltoną spalvą. Jei priemaiša turi mažiau elektronų nei atomas, kurį jis pakeičia, pavyzdžiui, boro priemaiša (trys valentiniai elektronai) deimante, susidaro skylės lygis. Dabar fotonai gali būti absorbuojami sužadinant elektroną iš valentinės juostos į skylės lygį. Boro legiruotojo deimanto atveju tai įvyksta tik geltonajame spektro gale, o spalva yra giliai mėlyna, kaip ir garsiajame „Hope“ deimante.

Kai kurios medžiagos, turinčios tiek donorų, tiek akceptorių, gali absorbuoti ultravioletinę arba elektrinę energiją, kad gautų matomą šviesą. Pavyzdžiui, fluorescencinėse lempose kaip danga naudojami fosforo milteliai, tokie kaip cinko sulfidas, turintis vario ir kitų priemaišų, kad gausią ultravioletinę energiją, kurią sukuria gyvsidabrio lankas, paversti fluorescencine šviesa. Fosforos taip pat naudojamos padengti televizoriaus ekrano vidų, kur juos aktyvina elektronų (katodinių spindulių) srautas katodoliuminescenciniu būdu, ir šviesiuose dažuose, kur juos suaktyvina balta šviesa arba ultravioletinė spinduliuotė, dėl kurios jie rodyti lėtą šviesos skilimą, žinomą kaip fosforescencija. Elektroliuminescencija atsiranda dėl elektrinio sužadinimo, kai fosforo milteliai nusėda ant metalinės plokštės ir padengiami permatomu laidžiu elektrodu, kad būtų apšvietimo skydai.

Injekcinė elektroliuminescencija atsiranda tada, kai kristalas turi jungtį tarp skirtingo pavidalo puslaidininkinių sričių. Elektros srovė sukels perėjimus tarp elektronų ir skylių sankryžos srityje, išlaisvindama energiją, kuri gali pasirodyti kaip beveik vienspalvė, kaip šviesos dioduose (LED), plačiai naudojamuose elektroninės įrangos ekranuose. Esant tinkamai geometrijai, skleidžiama šviesa taip pat gali būti monochromatinė ir darni, kaip ir puslaidininkių lazeriuose.