रंग प्रकाशिकी

ऊर्जा बैंड

धातु

वैलेंस इलेक्ट्रॉन, जो अन्य पदार्थों में व्यक्तिगत परमाणुओं या परमाणुओं के छोटे समूहों के बीच संबंध पैदा करते हैं, सभी परमाणुओं द्वारा एक धातु के टुकड़े में समान रूप से साझा किए जाते हैं। इस तरह के डेलोकाइज्ड इलेक्ट्रॉन धातु के पूरे टुकड़े को स्थानांतरित करने में सक्षम होते हैं और धातु की चमक और धातुओं और मिश्र धातुओं की अच्छी विद्युत और तापीय चालकता प्रदान करते हैं। बैंड सिद्धांत बताता है कि इस तरह की प्रणाली में व्यक्तिगत ऊर्जा के स्तर को बैंड नामक एक निरंतर क्षेत्र द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जैसा कि आंकड़े में दिखाए गए तांबे धातु के लिए घनत्व-ऑफ-स्टेट्स आरेख में है। यह आरेख बताता है कि किसी भी ऊर्जा पर बैंड में समायोजित किए जा सकने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या भिन्न होती है; तांबे में संख्या में गिरावट आती है क्योंकि बैंड इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है। तांबे में इलेक्ट्रॉनों की संख्या दिखाए गए स्तर तक बैंड को भरती है, जिससे उच्च ऊर्जा पर कुछ खाली जगह निकल जाती है।

जब प्रकाश का एक फोटॉन ऊर्जा बैंड के शीर्ष के पास एक इलेक्ट्रॉन द्वारा अवशोषित होता है, तो इलेक्ट्रॉन को बैंड के भीतर एक उच्च उपलब्ध ऊर्जा स्तर तक उठाया जाता है। प्रकाश इतनी तीव्रता से अवशोषित होता है कि यह केवल कुछ सौ परमाणुओं की गहराई तक ही प्रवेश कर सकता है, आमतौर पर एक एकल तरंगदैर्ध्य से कम होता है। क्योंकि धातु बिजली का एक संवाहक है, यह अवशोषित प्रकाश है, जो सब के बाद, एक विद्युत चुम्बकीय तरंग, धातु की सतह पर वैकल्पिक विद्युत धाराओं को प्रेरित करता है। ये धाराएं धातु से फोटॉन को तुरंत हटा देती हैं, इस प्रकार एक पॉलिश धातु की सतह का मजबूत प्रतिबिंब प्रदान करती है।

इस प्रक्रिया की दक्षता कुछ चयन नियमों पर निर्भर करती है। यदि अवशोषण और पुन: उत्सर्जन की दक्षता लगभग सभी प्रकाशीय ऊर्जाओं पर समान होती है, तो सफेद रोशनी में विभिन्न रंगों को समान रूप से अच्छी तरह से प्रतिबिंबित किया जाएगा, जिससे पॉलिश चांदी और लोहे की सतहों के "चांदी" रंग हो जाएगा। तांबे में बढ़ती ऊर्जा के साथ प्रतिबिंब की दक्षता कम हो जाती है; स्पेक्ट्रम के नीले सिरे पर कम परावर्तन लाल रंग में परिणत होता है। इसी तरह के विचार सोने और पीतल के पीले रंग की व्याख्या करते हैं।

शुद्ध अर्धचालक

कई पदार्थों में एक बैंड गैप राज्यों के आरेख के घनत्व में दिखाई देता है (आंकड़ा देखें)। यह हो सकता है, उदाहरण के लिए, जब एक शुद्ध पदार्थ में परमाणु के प्रति बिल्कुल चार वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का एक औसत होता है, जिसके परिणामस्वरूप पूरी तरह से निचला बैंड होता है, जिसे वैलेंस बैंड कहा जाता है, और बिल्कुल खाली ऊपरी बैंड, चालन बैंड। क्योंकि दो बैंडों के बीच की खाई में कोई इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का स्तर नहीं है, सबसे कम ऊर्जा प्रकाश जिसे अवशोषित किया जा सकता है वह आंकड़ा में तीर ए से मेल खाती है; यह चालन बैंड के नीचे तक वैलेंस बैंड के ऊपर से एक इलेक्ट्रॉन के उत्तेजना का प्रतिनिधित्व करता है और बैंड-गैप एनर्जी नामित ई _{जी से} मेल खाता है । किसी भी उच्च ऊर्जा का प्रकाश भी अवशोषित किया जा सकता है, जैसा कि तीर बी और सी द्वारा इंगित किया गया है।

यदि पदार्थ में एक बड़ा बैंड गैप है, जैसे कि हीरे का 5.4 eV, तो दृश्यमान स्पेक्ट्रम में कोई प्रकाश अवशोषित नहीं किया जा सकता है, और पदार्थ शुद्ध होने पर बेरंग दिखाई देता है। ऐसे बड़े बैंड-गैप सेमीकंडक्टर्स उत्कृष्ट इंसुलेटर होते हैं और आमतौर पर आयनिक या सहसंयोजक बंधुआ सामग्री के रूप में व्यवहार किए जाते हैं।

वर्णक कैडमियम पीला (कैडमियम सल्फाइड, जिसे खनिज ग्रीनोकाइट के रूप में भी जाना जाता है) में 2.6 ईवी का एक छोटा बैंड गैप है, जो वायलेट और कुछ नीले रंग के अवशोषण की अनुमति देता है लेकिन अन्य रंगों में से कोई भी नहीं। इससे उसका पीला रंग निकल जाता है। एक छोटा सा बैंड गैप जो बैंगनी, नीले और हरे रंग के अवशोषण की अनुमति देता है, जो नारंगी रंग का उत्पादन करता है; वर्णक सिंदूर (मर्क्यूरिक सल्फाइड, खनिज सिनबर) के 2.0 ईवी के रूप में एक छोटा सा बैंड गैप सभी ऊर्जाओं में परिणामित होता है लेकिन लाल को अवशोषित किया जाता है, जिससे लाल रंग होता है। बैंड-गैप ऊर्जा दृश्यमान स्पेक्ट्रम की 1.77-ईवी (700-एनएम) सीमा से कम होने पर सभी प्रकाश अवशोषित होते हैं; संकीर्ण बैंड-गैप अर्धचालक, जैसे कि लीड सल्फाइड गैलेना, इसलिए सभी प्रकाश को अवशोषित करते हैं और काले होते हैं। रंगहीन, पीला, नारंगी, लाल और काला रंग का यह क्रम शुद्ध अर्धचालकों में उपलब्ध रंगों की सटीक सीमा है।

डोप किए गए अर्धचालक

यदि एक अशुद्धता परमाणु, जिसे अक्सर एक डोपेंट कहा जाता है, एक अर्धचालक में मौजूद होता है (जिसे तब डॉप्ड के रूप में नामित किया जाता है) और परमाणु की तुलना में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की एक अलग संख्या होती है, जो बैंड गैप के भीतर अतिरिक्त ऊर्जा स्तर का गठन कर सकता है। यदि अशुद्धता में अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं, जैसे कि हीरे की क्रिस्टल में नाइट्रोजन की अशुद्धता (पांच वैलेंस इलेक्ट्रॉन) (कार्बन से मिलकर, प्रत्येक में चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं), तो एक डोनर स्तर बनता है। इस स्तर से इलेक्ट्रॉन फोटॉन के अवशोषण द्वारा चालन बैंड में उत्तेजित हो सकते हैं; यह केवल नाइट्रोजन-डॉप्ड हीरे में स्पेक्ट्रम के नीले छोर पर होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक पूरक पीला रंग होता है। यदि अशुद्धता में परमाणु की तुलना में कम इलेक्ट्रॉन होते हैं, तो यह हीरे में बोरान की अशुद्धता (तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉनों) की तरह होता है, एक छेद स्तर बनता है। फोटॉन को अब वैलेंस बैंड से इलेक्ट्रॉन के उत्तेजना के साथ छेद स्तर में अवशोषित किया जा सकता है। बोरॉन-डॉप्ड हीरे में यह केवल स्पेक्ट्रम के पीले छोर पर होता है, जिसके परिणामस्वरूप गहरे नीले रंग में होता है जैसा कि प्रसिद्ध होप हीरे में होता है।

कुछ सामग्री जिसमें दाता और स्वीकर्ता दोनों होते हैं, दृश्य प्रकाश का उत्पादन करने के लिए पराबैंगनी या विद्युत ऊर्जा को अवशोषित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, फॉस्फोर पाउडर, जैसे कि जस्ता सल्फाइड जिसमें तांबा और अन्य अशुद्धियां होती हैं, का उपयोग फ्लोरोसेंट लैंप में एक कोटिंग के रूप में किया जाता है जो पारा चाप द्वारा उत्पादित फ्लोरोसेंट पराबैंगनी ऊर्जा को फ्लोरोसेंट रोशनी में परिवर्तित करने के लिए होता है। फॉस्फोर का उपयोग एक टेलीविजन स्क्रीन के अंदर कोट करने के लिए भी किया जाता है, जहां वे कैथोडोल्यूमिनेशन में इलेक्ट्रॉनों (कैथोड किरणों) की एक धारा द्वारा सक्रिय होते हैं, और चमकदार पेंट में, जहां वे सफेद प्रकाश द्वारा या पराबैंगनी विकिरण द्वारा सक्रिय होते हैं, जो उन्हें इसका कारण बनता है। एक धीमी गति से चमकदार क्षय को फॉस्फोरेसेंस के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रोल्यूमिनिसेंस का परिणाम विद्युत उत्तेजना से होता है, जब एक फॉस्फोर पाउडर एक धातु की प्लेट पर जमा होता है और प्रकाश पैनल के उत्पादन के लिए एक पारदर्शी संवाहक इलेक्ट्रोड के साथ कवर किया जाता है।

इंजेक्शन इलेक्ट्रोल्यूमिनेशन तब होता है जब एक क्रिस्टल में अलग-अलग डोप किए गए अर्धचालक क्षेत्रों के बीच एक जंक्शन होता है। एक विद्युत प्रवाह, जंक्शन क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के बीच संक्रमण का उत्पादन करेगा, ऊर्जा जारी कर सकता है जो निकट-मोनोक्रोमैटिक प्रकाश के रूप में प्रकट हो सकता है, जैसा कि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में प्रदर्शन उपकरणों पर व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) में होता है। एक उपयुक्त ज्यामिति के साथ, उत्सर्जित प्रकाश अर्धचालक लेज़रों की तरह एकरूप और सुसंगत भी हो सकता है।