بصريات ملونة

عصابات الطاقة

المعادن

يتم تقاسم إلكترونات التكافؤ ، التي تنتج في مواد أخرى الترابط بين ذرات فردية أو مجموعات صغيرة من الذرات ، بالتساوي بين جميع الذرات في قطعة من المعدن. وبالتالي ، فإن هذه الإلكترونات المفككة قادرة على التحرك فوق قطعة المعدن بأكملها وتوفير البريق المعدني والتوصيل الكهربائي والحراري الجيد للمعادن والسبائك. توضح نظرية الفرقة أنه في هذا النظام يتم استبدال مستويات الطاقة الفردية بمنطقة مستمرة تسمى النطاق ، كما هو الحال في الرسم البياني لكثافة الحالات للمعدن النحاسي الموضح في الشكل. يوضح هذا الرسم البياني أن عدد الإلكترونات التي يمكن استيعابها في النطاق عند أي طاقة معينة يختلف ؛ في النحاس ينخفض ​​الرقم مع اقتراب النطاق من الإلكترونات. يملأ عدد الإلكترونات في النحاس النطاق إلى المستوى الموضح ، تاركًا بعض المساحة الفارغة عند طاقات أعلى.

عندما يمتص إلكترون الضوء من إلكترون بالقرب من أعلى نطاق الطاقة ، يتم رفع الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى متاح داخل النطاق. يمتص الضوء بشكل مكثف بحيث يمكن اختراقه إلى عمق بضع مئات فقط من الذرات ، وعادة ما يكون أقل من طول موجة واحدة. لأن المعدن موصل للكهرباء ، فإن هذا الضوء الممتص ، والذي هو ، في النهاية ، موجة كهرومغناطيسية ، يحفز تيارات كهربائية متناوبة على سطح المعدن. تبعث هذه التيارات على الفور الفوتون خارج المعدن ، مما يوفر انعكاسًا قويًا لسطح معدني مصقول.

تعتمد كفاءة هذه العملية على قواعد اختيار معينة. إذا كانت كفاءة الامتصاص وإعادة الانبعاث متساوية تقريبًا في جميع الطاقات البصرية ، فإن الألوان المختلفة في الضوء الأبيض ستنعكس بشكل جيد على قدم المساواة ، مما يؤدي إلى اللون "الفضي" للفضة المصقولة والأسطح الحديدية. في النحاس تنخفض كفاءة الانعكاس بزيادة الطاقة ؛ ينتج عن الانعكاسية المخفضة في الطرف الأزرق من الطيف لونًا محمرًا. تفسر اعتبارات مماثلة اللون الأصفر للذهب والنحاس.

أشباه الموصلات النقية

تظهر فجوة نطاق في عدد من المواد في كثافة مخطط الحالات (انظر الشكل). يمكن أن يحدث هذا ، على سبيل المثال ، عندما يكون هناك في المتوسط ​​أربعة إلكترونات تكافؤ لكل ذرة في مادة نقية ، مما ينتج عنه نطاق سفلي كامل تمامًا ، يسمى نطاق التكافؤ ، ونطاق علوي فارغ تمامًا ، نطاق التوصيل. نظرًا لعدم وجود مستويات طاقة للإلكترون في الفجوة بين الحزمتين ، فإن أدنى ضوء طاقة يمكن امتصاصه يتوافق مع السهم A في الشكل ؛ هذا يمثل إثارة إلكترون من أعلى نطاق التكافؤ حتى أسفل نطاق التوصيل ويتوافق مع طاقة فجوة النطاق المعينة E _g. يمكن أيضًا امتصاص ضوء أي طاقة أعلى ، كما هو موضح في الأسهم B و C.

إذا كانت المادة تحتوي على فجوة نطاق كبيرة ، مثل 5.4 eV للماس ، فلا يمكن امتصاص أي ضوء في الطيف المرئي ، وتظهر المادة عديمة اللون عندما تكون نقية. تعتبر أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الكبيرة عوازل ممتازة وعادة ما يتم التعامل معها كمواد أيونية أو مرتبطة تساهميًا.

يحتوي أصفر الكادميوم الصبغي (كبريتيد الكادميوم ، المعروف أيضًا باسم Greenockite المعدنية) على فجوة نطاق أصغر تبلغ 2.6 eV ، والتي تسمح بامتصاص البنفسج وبعض الأزرق ولكن لا شيء من الألوان الأخرى. هذا يؤدي إلى لونه الأصفر. تنتج فجوة نطاق أصغر إلى حد ما تسمح بامتصاص اللون البنفسجي والأزرق والأخضر اللون البرتقالي ؛ فجوة النطاق الأصغر كما هو الحال في 2.0 eV في الزنجفر (كبريتيد الزئبق ، الزنجفر المعدني) ينتج عنها جميع الطاقات لكن الأحمر يمتص ، مما يؤدي إلى لون أحمر. يتم امتصاص كل الضوء عندما تكون طاقة فجوة النطاق أقل من الحد 1.77-eV (700 نانومتر) من الطيف المرئي ؛ وبالتالي فإن أشباه الموصلات ذات النطاق الضيق ، مثل غالينا كبريتيد الرصاص ، تمتص كل الضوء وتكون سوداء. هذا التسلسل من اللون الأصفر والأصفر والبرتقالي والأحمر والأسود هو النطاق الدقيق للألوان المتاحة في أشباه الموصلات النقية.

أشباه الموصلات المخدرة

إذا كانت ذرة النجاسة ، التي يطلق عليها غالبًا dopant ، موجودة في أشباه الموصلات (التي يتم تصنيفها بعد ذلك على أنها مخدرة) ولها عدد مختلف من إلكترونات التكافؤ من الذرة التي تحل محلها ، يمكن تكوين مستويات طاقة إضافية داخل فجوة النطاق. إذا كانت الشوائب تحتوي على المزيد من الإلكترونات ، مثل شوائب النيتروجين (خمسة إلكترونات تكافؤ) في بلورة ماسية (تتكون من كربونات ، لكل منها أربعة إلكترونات تكافؤ) ، يتم تكوين مستوى المانح. يمكن تحفيز الإلكترونات من هذا المستوى في نطاق التوصيل عن طريق امتصاص الفوتونات ؛ يحدث هذا فقط في الطرف الأزرق من الطيف في الماس المدعم بالنيتروجين ، مما يؤدي إلى لون أصفر تكميلي. إذا كانت الشوائب تحتوي على عدد أقل من الإلكترونات من الذرة التي تحل محلها ، مثل شوائب البورون (ثلاثة إلكترونات تكافؤ) في الماس ، يتم تشكيل مستوى ثقب. يمكن الآن امتصاص الفوتونات مع إثارة إلكترون من شريط التكافؤ إلى مستوى الثقب. في الماس المخدر بالبورون ، يحدث هذا فقط في الطرف الأصفر من الطيف ، مما يؤدي إلى لون أزرق عميق كما هو الحال في الماس الأمل الشهير.

يمكن لبعض المواد التي تحتوي على كل من المتبرعين والمستقبلين امتصاص الطاقة فوق البنفسجية أو الكهربائية لإنتاج ضوء مرئي. على سبيل المثال ، يتم استخدام مساحيق الفوسفور ، مثل كبريتيد الزنك المحتوي على النحاس والشوائب الأخرى ، كطلاء في مصابيح الفلورسنت لتحويل الطاقة فوق البنفسجية الوفيرة التي ينتجها قوس الزئبق إلى ضوء الفلورسنت. تُستخدم الفوسفور أيضًا لتغليف الجزء الداخلي من شاشة التلفزيون ، حيث يتم تنشيطها بواسطة تيار من الإلكترونات (أشعة الكاثود) في التلألؤ الكاثودي ، وفي الدهانات المضيئة ، حيث يتم تنشيطها بواسطة الضوء الأبيض أو عن طريق الأشعة فوق البنفسجية ، مما يؤدي إلى عرض اضمحلال ضوئي بطيء يعرف باسم الفوسفور. ينتج التلألؤ الكهربائي عن الإثارة الكهربائية ، كما هو الحال عندما يتم إيداع مسحوق الفوسفور على لوح معدني ومغطى بقطب كهربائي موصل شفاف لإنتاج ألواح الإضاءة.

يحدث التلألؤ الكهربائي بالحقن عندما تحتوي البلورة على تقاطع بين مناطق شبه موصلة مخدرة مختلفة. سينتج التيار الكهربائي انتقالات بين الإلكترونات والثقوب في منطقة الوصل ، مما يطلق طاقة يمكن أن تظهر كضوء شبه أحادي اللون ، كما هو الحال في الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) المستخدمة على نطاق واسع على أجهزة العرض في المعدات الإلكترونية. مع هندسة مناسبة ، يمكن أن يكون الضوء المنبعث أيضًا أحادي اللون ومتماسكًا كما هو الحال في ليزر أشباه الموصلات.