Energetické pásma
Kovy
Valenční elektrony, které v jiných látkách vytvářejí vazbu mezi jednotlivými atomy nebo malými skupinami atomů, jsou sdíleny rovnoměrně všemi atomy v kusu kovu. Tyto delokalizované elektrony jsou tedy schopny pohybovat se po celém kusu kovu a zajišťovat kovový lesk a dobré elektrické a tepelné vodivosti kovů a slitin. Teorie pásů vysvětluje, že v takovém systému jsou jednotlivé energetické hladiny nahrazeny spojitou oblastí zvanou pás, jako ve schématu hustoty stavů pro měděný kov znázorněný na obrázku. Tento diagram ukazuje, že počet elektronů, které mohou být umístěny v pásmu při jakékoli dané energii, se mění; v mědi počet klesá, když se kapela blíží naplnění elektrony. Počet elektronů v mědi vyplňuje pásek na zobrazenou úroveň a ponechává nějaké prázdné místo při vyšších energiích.
Když je foton světla absorbován elektronem blízko vrcholu energetického pásma, elektron se zvýší na vyšší dostupnou energetickou úroveň v pásmu. Světlo je tak intenzivně pohlceno, že může pronikat do hloubky jen několika stovek atomů, obvykle méně než jedna vlnová délka. Protože kov je vodičem elektřiny, toto absorbované světlo, které je koneckonců elektromagnetická vlna, indukuje střídavé elektrické proudy na kovovém povrchu. Tyto proudy okamžitě znovu vytěsňují foton z kovu, čímž poskytují silný odraz leštěného kovového povrchu.
Účinnost tohoto procesu závisí na určitých pravidlech výběru. Pokud je účinnost absorpce a opětovné emise přibližně stejná ve všech optických energiích, budou různé barvy v bílém světle odráženy stejně dobře, což povede k „stříbrné“ barvě leštěných stříbrných a železných povrchů. U mědi účinnost odrazu klesá s rostoucí energií; snížená odrazivost na modrém konci spektra vede k načervenalé barvě. Podobné úvahy vysvětlují žlutou barvu zlata a mosazi.
Čisté polovodiče
U řady látek se v diagramu hustoty stavů objevuje pásová mezera (viz obrázek). To se může stát například tehdy, když v čisté látce existuje průměr přesně čtyř valenčních elektronů na atom, což má za následek zcela plné spodní pásmo, nazývané valenční pásmo, a přesně prázdné horní pásmo, vodivé pásmo. Protože v mezeře mezi oběma pásy nejsou žádné úrovně elektronové energie, odpovídá nejnižší energii, kterou lze absorbovat, šipce A na obrázku; to představuje excitaci elektronu z horní části valenčního pásu až do dolní části pásma vodivosti a odpovídá pásmové mezery energie určené e g. Světlo jakékoli vyšší energie může být také absorbováno, jak je naznačeno šipkami B a C.
Pokud má látka velkou pásmovou mezeru, jako je například 5,4 eV diamantu, pak nemůže být ve viditelném spektru absorbováno žádné světlo a když je látka čistá, vypadá bezbarvá. Takové polovodiče s velkou mezerou jsou vynikajícími izolátory a obvykle se s nimi zachází jako s iontovými nebo kovalentně vázanými materiály.
Pigment kadmia žlutý (sulfid kadmia, známý také jako minerální greenockit) má menší mezeru v pásmu 2,6 eV, což umožňuje absorpci fialové a některé modré, ale žádné jiné barvy. To vede k jeho žluté barvě. Trochu menší mezera v pásmu, která umožňuje absorpci fialové, modré a zelené, vytváří oranžovou barvu; ještě menší pásová mezera jako ve 2,0 eV pigmentové vermilionu (sulfid rtuťnatý, minerální cinnabar) vede k pohlcení všech energií kromě červené, což vede k červené barvě. Veškeré světlo je absorbováno, když je energie pásmové mezery menší než 1,77-eV (700 nm) hranice viditelného spektra; úzké polovodiče s úzkou páskou, jako je galen sulfidu olova, absorbují tedy veškeré světlo a jsou černé. Tato sekvence bezbarvé, žluté, oranžové, červené a černé je přesná škála barev dostupných v čistě polovodičích.
Dopedované polovodiče
Pokud je atom nečistoty, často nazývaný dopant, přítomen v polovodiči (který je potom označen jako dopovaný) a má jiný počet valenčních elektronů než atom, který nahrazuje, lze v mezeře pásma vytvořit další energetické hladiny. Pokud nečistota obsahuje více elektronů, jako je například dusíkatá nečistota (pět valenčních elektronů) v diamantovém krystalu (sestávající z uhlíků, z nichž každý má čtyři valenční elektrony), vytvoří se hladina dárce. Elektrony z této úrovně mohou být excitovány do vodivého pásma absorpcí fotonů; k tomu dochází pouze na modrém konci spektra v diamantem dotovaném dusíkem, což má za následek komplementární žlutou barvu. Pokud nečistota obsahuje méně elektronů než atom, který nahrazuje, jako je například borová nečistota (tři valenční elektrony) v diamantu, vytvoří se hladina díry. Fotony mohou být nyní absorbovány excitací elektronu z valenčního pásu do úrovně díry. U diamantu dotovaného borem se to vyskytuje pouze na žlutém konci spektra, což má za následek tmavě modrou barvu jako u slavného diamantu Hope.
Některé materiály obsahující dárce i akceptory mohou absorbovat ultrafialovou nebo elektrickou energii a vytvářet viditelné světlo. Například fosforové prášky, jako je měď obsahující sulfid zinečnatý a jiné nečistoty, se používají jako povlak ve fluorescenčních lampách k přeměně velkého množství ultrafialové energie produkované rtuťovým obloukem na fluorescenční světlo. Fosfory se také používají k natírání vnitřku televizní obrazovky, kde jsou aktivovány proudem elektronů (katodové paprsky) v katodoluminiscenci a ve světelných barvách, kde jsou aktivovány bílým světlem nebo ultrafialovým zářením, které je způsobuje vykazují pomalý světelný rozklad známý jako fosforescence. Elektroluminiscence je výsledkem elektrického buzení, jako když se fosforový prášek nanáší na kovovou desku a zakrývá se průhlednou vodivou elektrodou, aby se vytvořily osvětlovací panely.
Injekční elektroluminiscence nastává, když krystal obsahuje spojení mezi různě dopovanými polovodivými oblastmi. Elektrický proud bude produkovat přechody mezi elektrony a otvory ve spojovací oblasti a uvolňovat energii, která se může jevit jako téměř monochromatické světlo, jako ve světelných diodách (LED), které se široce používají na zobrazovacích zařízeních v elektronických zařízeních. Při vhodné geometrii může být vyzařované světlo také monochromatické a koherentní jako v polovodičových laserech.
