Krāsu optika

Enerģijas joslas

Metāli

Valences elektroni, kas citās vielās rada saiti starp atsevišķiem atomiem vai nelielām atomu grupām, visiem atomiem ir vienādi dalīti metāla gabalā. Šie delokalizētie elektroni tādējādi spēj pārvietoties pa visu metāla gabalu un nodrošina metāla spīdumu un labu metālu un sakausējumu elektrisko un siltumvadītspēju. Joslu teorija skaidro, ka šādā sistēmā atsevišķus enerģijas līmeņus aizstāj ar nepārtrauktu reģionu, ko sauc par joslu, kā parādīts attēlā parādītajā vara metālu stāvokļu blīvuma diagrammā. Šī diagramma parāda, ka elektronu skaits, ko var izvietot joslā pie jebkuras enerģijas, mainās; varā skaits samazinās, jo josla tuvojas piepildīšanai ar elektroniem. Elektronu skaits varā aizpilda joslu līdz parādītajam līmenim, atstājot nedaudz tukšas vietas pie augstākām enerģijām.

Kad elektrons absorbē gaismas fotonu netālu no enerģijas joslas augšdaļas, elektrons tiek paaugstināts līdz augstākam pieejamajam enerģijas līmenim joslā. Gaisma ir tik intensīvi absorbēta, ka tā var iekļūt tikai dažu simtu atomu dziļumā, parasti mazākā par vienu viļņa garumu. Tā kā metāls ir elektrības vadītājs, šī absorbētā gaisma, kas galu galā ir elektromagnētiskais vilnis, uz metāla virsmu izraisa mainīgas elektriskās strāvas. Šīs strāvas nekavējoties atkārto fotonu no metāla, tādējādi nodrošinot spēcīgu pulētas metāla virsmas atstarojumu.

Šī procesa efektivitāte ir atkarīga no noteiktiem atlases noteikumiem. Ja absorbcijas un remisijas efektivitāte ir aptuveni vienāda ar visām optiskajām enerģijām, tad dažādās krāsas baltajā gaismā tiks atspoguļotas vienlīdz labi, kā rezultātā pulēta sudraba un dzelzs virsmas būs “sudrabainā”. Varā atstarošanās efektivitāte samazinās, palielinoties enerģijai; samazināta atstarošanās spektra zilajā galā iegūst sarkanīgu krāsu. Līdzīgi apsvērumi izskaidro zelta un misiņa dzelteno krāsu.

Tīri pusvadītāji

Vairākās vielās stāvokļu blīvuma diagrammā parādās joslu plaisa (sk. Attēlu). Tas var notikt, piemēram, kad tīrā vielā uz vienu atomu ir vidēji precīzi četri valences elektroni, kā rezultātā rodas pilnīgi pilna apakšējā josla, ko sauc par valences joslu, un precīzi tukša augšējā josla, vadītspējas josla. Tā kā spraugā starp abām joslām nav elektronu enerģijas līmeņu, zemākā enerģijas gaisma, ko var absorbēt, atbilst bultiņai A attēlā; tas apzīmē elektronu ierosmi no valences joslas augšdaļas līdz vadītspējas joslas apakšai un atbilst joslas spraugas enerģijai, kas apzīmēta ar E _g. Var absorbēt arī jebkuras augstākas enerģijas gaismu, kā norādīts ar bultiņām B un C.

Ja vielai ir liela joslu atstarpe, piemēram, dimanta 5,4 eV, tad redzamajā spektrā nevar absorbēt gaismu, un viela šķīst bez krāsas. Šādi lieli joslas spraugas pusvadītāji ir lieliski izolatori, un tos parasti uzskata par jonu vai ar kovalenti saistītiem materiāliem.

Kadmija dzeltenā pigmenta (kadmija sulfīds, pazīstams arī kā minerāls greenockite) joslu atstarpe ir mazāka - 2,6 eV, kas ļauj absorbēt violetu un nedaudz zilu, bet nevienu citu krāsu. Tas noved pie tā dzeltenās krāsas. Nedaudz mazāka joslu sprauga, kas ļauj absorbēt violetu, zilu un zaļu, iegūst oranžu krāsu; vēl mazāks joslu atstarpe, kā pigmenta vermiliona (dzīvsudraba sulfīds, minerālskābes) 2,0 eV, rada visas enerģijas, bet sarkanais tiek absorbēts, kas noved pie sarkanās krāsas. Visa gaisma tiek absorbēta, ja joslas spraugas enerģija ir mazāka par redzamā spektra robežu 1,77-eV (700 nm); šaurās joslas spraugas pusvadītāji, piemēram, svina sulfīda galēna, tāpēc absorbē visu gaismu un ir melni. Šī bezkrāsas, dzeltenas, oranžas, sarkanas un melnas krāsas secība ir precīzs krāsu diapazons, kas pieejams tīros pusvadītājos.

Pusvadītāji ar dublējumu

Ja pusvadītājā (ko pēc tam apzīmē kā leģētu) atrodas piemaisījumu atoms, ko bieži sauc par palīgvielu, un tajā ir atšķirīgs valences elektronu skaits nekā atomā, kuru tas aizvieto, joslas spraugā var veidoties papildu enerģijas līmeņi. Ja piemaisījumā ir vairāk elektronu, piemēram, slāpekļa piemaisījumā (pieci valences elektroni) dimanta kristālā (kas sastāv no oglekļiem, katrā no tiem ir četri valences elektroni), veidojas donora līmenis. No šī līmeņa elektronus var ierosināt vadītspējas joslā, absorbējot fotonus; tas notiek tikai ar slāpekli leģētā dimanta spektra zilajā galā, iegūstot papildinošu dzeltenu krāsu. Ja piemaisījumā ir mazāk elektronu nekā atomā, kuru tas aizvieto, piemēram, bora piemaisījumā (trīs valences elektroni) dimantā, veidojas cauruma līmenis. Tagad fotonus var absorbēt, ierosinot elektronu no valences joslas cauruma līmenī. Ar bora leģētu dimantu tas notiek tikai spektra dzeltenā galā, iegūstot dziļi zilu krāsu, kā tas ir slavenajā Hope dimantā.

Daži materiāli, kas satur gan donorus, gan akceptorus, var absorbēt ultravioleto vai elektrisko enerģiju, lai iegūtu redzamu gaismu. Piemēram, fosfora pulveri, piemēram, cinka sulfīds, kas satur varu un citus piemaisījumus, tiek izmantoti kā pārklājums dienasgaismas spuldzēs, lai pārvērstu dzīvsudraba loka radīto bagātīgo ultravioleto enerģiju dienasgaismas gaismā. Fosforus izmanto arī televizora ekrāna iekšpuses pārklāšanai, kur tos aktivizē elektronu (katoda staru) plūsma katodoluminiscencē, un gaismas krāsās, kur tos aktivizē balta gaisma vai ultravioletais starojums, kas tos izraisa. parādīt lēnu gaismas samazinājumu, kas pazīstams kā fosforescence. Elektroluminiscence rodas no elektriskās ierosmes, piemēram, kad fosfora pulveris tiek novietots uz metāla plāksnes un pārklāts ar caurspīdīgu vadošu elektrodu, lai iegūtu apgaismes paneļus.

Injekcijas elektroluminiscence rodas, ja kristāls satur savienojumu starp atšķirīgi leģētiem pusvadītāju reģioniem. Elektriskā strāva radīs pārejas starp elektroniem un caurumiem krustojuma reģionā, atbrīvojot enerģiju, kas var parādīties gandrīz monohromatiskā apgaismojumā, tāpat kā gaismas diodēs (LED), ko plaši izmanto displeju ierīcēs elektroniskajās iekārtās. Izmantojot piemērotu ģeometriju, izstarotā gaisma var būt arī monohromatiska un koherenta tāpat kā pusvadītāju lāzeros.