אופטיקה צבעונית

להקות אנרגיה

מתכות

האלקטרונים הערכיים, שבחומרים אחרים מייצרים קשרים בין אטומים בודדים או קבוצות אטומיות קטנות, משותפים לכל האטומים בחלק מתכת. האלקטרונים הממוקמים הללו מסוגלים אפוא לעבור על כל פיסת המתכת ומספקים את הברק המתכתי ומוליכות חשמל תרמית טובה של מתכות וסגסוגות. תיאוריית הלהקות מסבירה כי במערכת כזו רמות אנרגיה אינדיבידואליות מוחלפות על ידי אזור רציף הנקרא פס, כמו בתרשים הצפיפות של המדינות למתכת נחושת המוצגת באיור. תרשים זה מראה שמספר האלקטרונים שניתן להכיל ללהקה בכל אנרגיה נתונה משתנה; בנחושת המספר יורד ככל שהלהקה מתקרבת להתמלא באלקטרונים. מספר האלקטרונים בנחושת ממלאים את הרצועה לרמה המוצגת, ומשאירים מעט מקום ריק באנרגיות גבוהות יותר.

כאשר פוטון של אור נספג על ידי אלקטרון בסמוך לראש רצועת האנרגיה, האלקטרון מוגבה לרמת אנרגיה זמינה גבוהה יותר בתוך הלהקה. האור נקלט בעוצמה כה רבה עד שהוא יכול לחדור לעומק של כמה מאות אטומים בלבד, בדרך כלל פחות מאורך גל יחיד. מכיוון שהמתכת היא מוליך חשמל, האור הספוג הזה, שהוא, בסופו של דבר, גל אלקטרומגנטי, גורם לזרמי חשמל מתחלפים על משטח המתכת. זרמים אלה מחזירים מיד את הפוטון מהמתכת ובכך מספקים את ההשתקפות החזקה של משטח מתכת מלוטש.

היעילות של תהליך זה תלויה בכללי בחירה מסוימים. אם יעילות הקליטה והפליטה שווה בערך בכל האנרגיות האופטיות, אז הצבעים השונים באור לבן ישתקפו בצורה טובה באותה מידה, מה שיוביל לצבע ה"כסף "של משטחי כסף וברזל מלוטשים. בנחושת יעילות ההשתקפות פוחתת עם הגדלת האנרגיה; ההשתקפות המופחתת בקצה הכחול של הספקטרום מביאה לצבע אדמדם. שיקולים דומים מסבירים את הצבע הצהוב של זהב ופליז.

מוליכים למחצה טהורים

במספר חומרים מופיע פער רצועה בתרשים הצפיפות של מצבים (ראה איור). זה יכול לקרות, למשל, כאשר ישנם ממוצע של ארבעה אלקטרונים ערכיים לאטום בדיוק בחומר טהור, וכתוצאה מכך רצועה תחתונה מלאה לחלוטין, הנקראת פס הערכיות, ופס עליון ריק לחלוטין, פס ההולכה. מכיוון שאין רמות אנרגיית אלקטרונים בפער בין שתי הלהקות, אור האנרגיה הנמוך ביותר שניתן לספוג מתאים לחץ A בתמונה; זה מייצג את העירור של אלקטרון מהחלק העליון של רצועת הערכיות עד לקרקעית פס ההולכה ומתכתב עם אנרגיית פער-הפס המוגדר _Eg. אור עם כל אנרגיה גבוהה יותר יכול להיספג, כפי שמצוין על ידי החצים B ו- C.

אם לחומר יש רווח פס גדול, כמו 5.4 eV של יהלום, אז לא ניתן להיספג אור בספקטרום הנראה, והחומר נראה חסר צבע כאשר הוא טהור. מוליכים למחצה גדולים כל כך בפער הם מבודדים מצוינים ומתייחסים בדרך כלל כחומרים יוניים או קשורים קוולנטיים.

לפיגמנט קדמיום צהוב (קדמיום סולפיד, הידוע גם בשם המינרל greenockite) יש פער פס קטן יותר של 2.6 eV, המאפשר ספיגה של סגול וכמה כחול אך אף אחד מהצבעים האחרים. זה מוביל לצבע הצהוב שלו. רצועת פס קטנה יותר המאפשרת ספיגה של סגול, כחול וירוק מייצרת את הצבע כתום; פער עדיין קטן יותר כמו 2.0 eV של ורמיליון הפיגמנט (גופרית כספית, הכינבר המינרלי) מביא לכל האנרגיות אך האדום נספג, מה שמוביל לצבע אדום. כל האור נספג כאשר אנרגיית הפער בפס נמוכה מהגבול 1.77-eV (700 ננומטר) של הספקטרום הנראה; מוליכי מוליכים למחצה צרים בפער, כגון גלנה עופרת גופרתי, סופגים לפיכך את כל האור והם שחורים. רצף זה של צבע, צהוב, כתום, אדום ושחור חסר צבע הוא טווח הצבעים המדויק הקיים במוליכים למחצה טהורים.

מוליכים למחצה מסוממים

אם אטום טומאה, המכונה לעתים קרובות סמים, נמצא במוליך למחצה (אשר מיועד אז כסומם) ויש לו מספר שונה של אלקטרונים ערכיים מאשר האטום שהוא מחליף, ניתן ליצור רמות אנרגיה נוספות בתוך פער הלהקה. אם לטומאה יש יותר אלקטרונים, כמו טומאה בחנקן (חמישה אלקטרונים של עריכה) בגביש יהלום (המורכב מפחמנים, שלכל אחד מהם ארבעה אלקטרונים של עריכה), נוצרת רמת תורם. אלקטרונים מרמה זו יכולים להתרגש לתוך פס ההולכה על ידי קליטת פוטונים; זה מתרחש רק בקצה הכחול של הספקטרום ביהלום מסומם עם חנקן, וכתוצאה מכך צבע צהוב משלים. אם לטומאה יש פחות אלקטרונים מהאטום שהוא מחליף, כמו טומאה בורון (שלושה אלקטרונים ערכים) ביהלום, נוצרת מפלס חור. כעת ניתן להיספג פוטונים עם עירור של אלקטרון מלהקה הערכיות לגובה החור. ביהלום מסומם בורון זה מתרחש רק בקצה הצהוב של הספקטרום, וכתוצאה מכך צבע כחול עמוק כמו ביהלום הופ המפורסם.

חומרים מסוימים המכילים תורמים וקולטנים כאחד יכולים לספוג אנרגיה אולטרה סגולה או חשמל לייצור אור גלוי. לדוגמא, אבקות זרחן, כגון אבץ גופרתי המכיל נחושת וזיהומים אחרים, משמשות כציפוי במנורות ניאון כדי להמיר את האנרגיה האולטרה-סגולה בשפע המיוצרת על ידי קשת הכספית לאור ניאון. זרחן משמש גם לציפוי החלק הפנימי של מסך טלוויזיה, שם הם מופעלים על ידי זרם של אלקטרונים (קרני קתודה) בקתודולומינצנטיות, ובצבעים זוהרים, שם הם מופעלים על ידי אור לבן או על ידי קרינה אולטרה סגולה, מה שגורם להם מראים ריקבון זוהר איטי המכונה זרחן. אלקטרולומינצנציה נובעת מעירור חשמלי, כמו כאשר מופקרת אבקת זרחן על צלחת מתכתית ומכוסה באלקטרודה מוליכה שקופה לייצור לוחות תאורה.

אלקטרוליומינציית הזרקה מתרחשת כאשר גביש מכיל צומת בין אזורים מוליכים למחצה מסוממים באופן שונה. זרם חשמלי יפיק מעברים בין אלקטרונים לחורים באזור הצומת, וישחרר אנרגיה שיכולה להופיע כאור כמעט מונוכרומטי, כמו בדיודות פולטות אור (LED) הנמצאות בשימוש נרחב במכשירי תצוגה בציוד אלקטרוני. בעזרת גיאומטריה מתאימה, האור הנפלט יכול להיות מונוכרומטי וקוהרנטי כמו בלייזרי מוליכים למחצה.