Οπτικά χρώματος

Ενεργειακές ζώνες

Μέταλλα

Τα ηλεκτρόνια σθένους, τα οποία σε άλλες ουσίες παράγουν σύνδεση μεταξύ μεμονωμένων ατόμων ή μικρών ομάδων ατόμων, μοιράζονται εξίσου όλα τα άτομα σε ένα κομμάτι μετάλλου. Αυτά τα ηλεκτρόνια που έχουν μετατοπιστεί σε θέση να μετακινούνται σε ολόκληρο το κομμάτι του μετάλλου και να παρέχουν τη μεταλλική λάμψη και καλές ηλεκτρικές και θερμικές αγωγιμότητες μετάλλων και κραμάτων. Η θεωρία της ζώνης εξηγεί ότι σε ένα τέτοιο σύστημα τα μεμονωμένα επίπεδα ενέργειας αντικαθίστανται από μια συνεχή περιοχή που ονομάζεται ζώνη, όπως στο διάγραμμα πυκνότητας καταστάσεων για μέταλλο χαλκού που φαίνεται στο σχήμα. Αυτό το διάγραμμα δείχνει ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορούν να φιλοξενηθούν στη ζώνη σε οποιαδήποτε δεδομένη ενέργεια ποικίλλει. σε χαλκό ο αριθμός μειώνεται καθώς η ζώνη πλησιάζει γεμάτη με ηλεκτρόνια. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο χαλκό γεμίζει τη ζώνη στο επίπεδο που φαίνεται, αφήνοντας λίγο κενό χώρο σε υψηλότερες ενέργειες.

Όταν ένα φωτόνιο φωτός απορροφάται από ένα ηλεκτρόνιο κοντά στην κορυφή της ενεργειακής ζώνης, το ηλεκτρόνιο ανυψώνεται σε υψηλότερο διαθέσιμο επίπεδο ενέργειας εντός της ζώνης. Το φως απορροφάται τόσο έντονα που μπορεί να διεισδύσει σε βάθος λίγων εκατοντάδων ατόμων, συνήθως μικρότερο από ένα μόνο μήκος κύματος. Επειδή το μέταλλο είναι αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας, αυτό το απορροφούμενο φως, το οποίο, εξάλλου, είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, προκαλεί εναλλασσόμενα ηλεκτρικά ρεύματα στην μεταλλική επιφάνεια. Αυτά τα ρεύματα εκπέμπουν αμέσως το φωτόνιο από το μέταλλο, παρέχοντας έτσι την ισχυρή αντανάκλαση μιας γυαλισμένης μεταλλικής επιφάνειας.

Η αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας εξαρτάται από ορισμένους κανόνες επιλογής. Εάν η απόδοση της απορρόφησης και της επανεισδοχής είναι περίπου ίση σε όλες τις οπτικές ενέργειες, τότε τα διαφορετικά χρώματα σε λευκό φως θα αντανακλώνται εξίσου καλά, οδηγώντας στο «ασημί» χρώμα των γυαλισμένων επιφανειών αργύρου και σιδήρου. Στο χαλκό η απόδοση της ανάκλασης μειώνεται με την αύξηση της ενέργειας. η μειωμένη ανακλαστικότητα στο μπλε άκρο του φάσματος οδηγεί σε κοκκινωπό χρώμα. Παρόμοιες σκέψεις εξηγούν το κίτρινο χρώμα του χρυσού και του ορείχαλκου.

Καθαροί ημιαγωγοί

Σε μια σειρά ουσιών εμφανίζεται ένα διάκενο ζώνης στο διάγραμμα πυκνότητας καταστάσεων (βλέπε σχήμα). Αυτό μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, όταν υπάρχουν κατά μέσο όρο τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους ανά άτομο σε μια καθαρή ουσία, με αποτέλεσμα μια εντελώς πλήρη κατώτερη ζώνη, που ονομάζεται ζώνη σθένους και μια ακριβώς κενή άνω ζώνη, τη ζώνη αγωγιμότητας. Επειδή δεν υπάρχουν επίπεδα ενέργειας ηλεκτρονίων στο κενό μεταξύ των δύο ζωνών, το χαμηλότερο φως ενέργειας που μπορεί να απορροφηθεί αντιστοιχεί στο βέλος Α στο σχήμα. αυτό αντιπροσωπεύει την διέγερση ενός ηλεκτρονίου από την κορυφή της ζώνης σθένους μέχρι τον πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας και αντιστοιχεί στην ενέργεια ζώνης-διακένου, που ορίζεται E _g. Το φως οποιασδήποτε υψηλότερης ενέργειας μπορεί επίσης να απορροφηθεί, όπως υποδεικνύεται από τα βέλη B και C.

Εάν η ουσία έχει μεγάλο χάσμα ζώνης, όπως το 5,4 eV του διαμαντιού, τότε δεν μπορεί να απορροφηθεί φως στο ορατό φάσμα και η ουσία εμφανίζεται άχρωμη όταν είναι καθαρή. Τέτοιοι ημιαγωγοί μεγάλου εύρους ζώνης είναι εξαιρετικοί μονωτές και συνήθως αντιμετωπίζονται ως ιοντικά ή ομοιοπολικά συνδεδεμένα υλικά.

Η κίτρινη χρωστική κάδμιο (θειούχο κάδμιο, επίσης γνωστό ως ορυκτός πράσινος κοκκώδης) έχει μικρότερο διάκενο ζώνης 2,6 eV, το οποίο επιτρέπει την απορρόφηση του βιολετί και κάποιου μπλε αλλά κανένα από τα άλλα χρώματα. Αυτό οδηγεί στο κίτρινο χρώμα του. Ένα κάπως μικρότερο διάκενο ζώνης που επιτρέπει την απορρόφηση του βιολετί, του μπλε και του πράσινου παράγει το χρώμα πορτοκαλί. ένα ακόμη μικρότερο χάσμα ζώνης όπως στο 2.0 eV του βερμίλιου της χρωστικής (υδράργυρο σουλφίδιο, το ορυκτό κιννάβαρο) έχει ως αποτέλεσμα όλες τις ενέργειες, αλλά το κόκκινο απορροφάται, το οποίο οδηγεί σε κόκκινο χρώμα. Όλο το φως απορροφάται όταν η ενέργεια του διακένου ζώνης είναι μικρότερη από το όριο των 1,77-eV (700-nm) του ορατού φάσματος. Οι ημιαγωγοί στενού εύρους ζώνης, όπως η γαλίνη σουλφιδίου μολύβδου, απορροφούν επομένως όλο το φως και είναι μαύροι. Αυτή η ακολουθία άχρωμων, κίτρινων, πορτοκαλί, κόκκινων και μαύρων είναι η ακριβής γκάμα χρωμάτων που διατίθεται σε καθαρούς ημιαγωγούς.

Ημιαγωγοί ντόπινγκ

Εάν ένα άτομο ακαθαρσίας, που συχνά ονομάζεται προσμίκτης, υπάρχει σε έναν ημιαγωγό (το οποίο στη συνέχεια χαρακτηρίζεται ως ντόπινγκ) και έχει διαφορετικό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους από το άτομο που αντικαθιστά, μπορούν να σχηματιστούν επιπλέον επίπεδα ενέργειας μέσα στο κενό ζώνης. Εάν η ακαθαρσία έχει περισσότερα ηλεκτρόνια, όπως μια ακαθαρσία αζώτου (πέντε ηλεκτρόνια σθένους) σε έναν διαμάντι κρύσταλλο (που αποτελείται από άνθρακες, καθένας από τους οποίους έχει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους), σχηματίζεται ένα επίπεδο δότη. Τα ηλεκτρόνια από αυτό το επίπεδο μπορούν να ενθουσιαστούν στη ζώνη αγωγιμότητας με την απορρόφηση των φωτονίων. Αυτό συμβαίνει μόνο στο μπλε άκρο του φάσματος σε διαμάντι με άζωτο, με αποτέλεσμα ένα συμπληρωματικό κίτρινο χρώμα. Εάν η ακαθαρσία έχει λιγότερα ηλεκτρόνια από το άτομο που αντικαθιστά, όπως μια ακαθαρσία βορίου (τρία ηλεκτρόνια σθένους) σε διαμάντι, σχηματίζεται ένα επίπεδο οπών. Τα φωτόνια μπορούν τώρα να απορροφηθούν με τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στο επίπεδο της οπής. Σε διαμάντι με βόριο, αυτό συμβαίνει μόνο στο κίτρινο άκρο του φάσματος, με αποτέλεσμα ένα βαθύ μπλε χρώμα όπως στο διάσημο διαμάντι Hope.

Ορισμένα υλικά που περιέχουν τόσο δότες όσο και δέκτες μπορούν να απορροφήσουν υπεριώδη ή ηλεκτρική ενέργεια για να παράγουν ορατό φως. Για παράδειγμα, σκόνες φωσφόρου, όπως θειούχος ψευδάργυρος που περιέχουν χαλκό και άλλες ακαθαρσίες, χρησιμοποιούνται ως επικάλυψη σε λαμπτήρες φθορισμού για να μετατρέψουν την άφθονη υπεριώδη ενέργεια που παράγεται από το τόξο υδραργύρου σε φθορίζον φως. Οι φωσφόροι χρησιμοποιούνται επίσης για την επικάλυψη του εσωτερικού μιας οθόνης τηλεόρασης, όπου ενεργοποιούνται από ένα ρεύμα ηλεκτρονίων (καθοδικές ακτίνες) σε καθοδικό φωτισμό και σε φωτεινά χρώματα, όπου ενεργοποιούνται από λευκό φως ή από υπεριώδη ακτινοβολία, γεγονός που τους προκαλεί εμφανίζει μια αργή φωτεινή αποσύνθεση γνωστή ως φωσφορίζοντας. Η ηλεκτροφωταύγεια προκύπτει από ηλεκτρική διέγερση, όπως όταν μια σκόνη φωσφόρου εναποτίθεται σε μια μεταλλική πλάκα και καλύπτεται με ένα διαφανές αγώγιμο ηλεκτρόδιο για την παραγωγή πάνελ φωτισμού.

Η ηλεκτροφωταύγεια έγχυσης συμβαίνει όταν ένας κρύσταλλος περιέχει μια διασταύρωση μεταξύ διαφορετικών ημιαγωγών περιοχών. Ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα παράγει μεταβάσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών στην περιοχή διασταύρωσης, απελευθερώνοντας ενέργεια που μπορεί να εμφανιστεί ως σχεδόν μονοχρωματικό φως, όπως στις δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) που χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές προβολής σε ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Με μια κατάλληλη γεωμετρία, το εκπεμπόμενο φως μπορεί επίσης να είναι μονοχρωματικό και συνεκτικό όπως στα λέιζερ ημιαγωγών.