彩色光学

能带

金属制品

在其他物质中会在单个原子或小原子团之间产生键的价电子被一块金属中的所有原子均等地共享。这些离域的电子因此能够在整块金属上移动，并提供金属光泽以及金属和合金的良好电导率和导热率。能带理论解释说，在这样的系统中，单个能级被称为能带的连续区域代替，如图中所示的铜金属的状态密度图。该图表明，在任何给定能量下，能容纳在带中的电子数量都会变化。在铜中，随着能带被电子填充，该数目下降。铜中的电子数量将能带填充到所示的能级，从而在较高的能量下留下一些空白。

当光子的光子被能带顶部附近的电子吸收时，电子被提升到能带内更高的可用能级。光被强烈吸收，以至只能穿透几百个原子，通常小于单个波长。因为金属是电导体，所以吸收的光毕竟是电磁波，它在金属表面上感应出交流电。这些电流立即将光子从金属中释放出来，从而提供了抛光金属表面的强烈反射。

此过程的效率取决于某些选择规则。如果所有光能的吸收和释放效率大致相等，那么白光中的不同颜色将被同样好地反射，从而导致抛光的银和铁表面具有“银色”的颜色。在铜中，反射效率随着能量的增加而降低；光谱的蓝色端反射率降低会导致颜色偏红。类似的考虑也解释了金黄色和黄铜的黄色。

纯半导体

在许多物质中，带隙出现在状态密度图中（见图）。例如，当一个纯物质中每个原子平均平均有四个价电子时，会发生这种情况，即产生一个完全完整的下部带（称为价带）和一个完全空的上部带（导带）。因为在两个谱带之间的间隙中没有电子能级，所以可以吸收的最低能量的光对应于图中的箭头A；这表示电子从价带的顶部到导带的底部的激发，并且对应于标记为E _g的带隙能量。如箭头B和C所示，任何更高能量的光也可以被吸收。

如果该物质具有较大的禁带宽度（例如5.4 eV的钻石），则可见光谱中的任何光都无法吸收，并且该物质纯净时无色。这种大的带隙半导体是出色的绝缘体，更通常被视为离子或共价键合的材料。

颜料镉黄（硫化镉，也称为矿物绿辉石）的带隙较小，为2.6 eV，可以吸收紫色和一些蓝色，但不能吸收其他任何颜色。这导致其黄色。带隙稍小一些，可以吸收紫色，蓝色和绿色，从而产生橙色。如颜料朱红（硫化汞，矿物朱砂）的2.0 eV中较小的带隙会导致所有能量，但红色会被吸收，从而导致红色。当带隙能量小于可见光谱的1.77-eV（700-nm）极限时，所有的光都会被吸收。因此，窄带隙半导体（例如硫化铅方铅矿）会吸收所有光并且呈黑色。无色，黄色，橙色，红色和黑色的顺序是纯半导体中可用颜色的精确范围。

掺杂半导体

如果半导体中存在杂质原子（通常称为掺杂剂）（然后称为掺杂），并且其价电子数量与其所取代的原子数量不同，则带隙内会形成额外的能级。如果杂质具有更多的电子，例如金刚石晶体中的氮杂质（五个价电子）（由碳组成，每个碳具有四个价电子），则形成施主能级。来自这一能级的电子可以通过吸收光子而被激发到导带中。这仅发生在掺氮钻石的光谱的蓝色末端，从而产生互补的黄色。如果杂质的电子数量少于它所取代的原子的数量，例如金刚石中的硼杂质（三个价电子），则会形成空穴能级。现在可以通过电子从价带到空穴能级的激发来吸收光子。在掺硼钻石中，这仅发生在光谱的黄色末端，与著名的希望钻石一样，产生深蓝色。

某些既包含供体又包含受体的材料可以吸收紫外线或电能以产生可见光。例如，磷光体粉末，例如含有铜和其他杂质的硫化锌，用作荧光灯中的涂层，以将由汞弧产生的大量紫外线能量转化为荧光灯。荧光粉还用于涂覆电视屏幕的内部，在阴极荧光中，电子束（阴极射线）将其激活，在荧光涂料中，白光或紫外线将其激活，从而使荧光粉发光。显示出缓慢的发光衰减，称为磷光。电致发光是由电激发引起的，例如，当荧光粉沉积到金属板上并用透明导电电极覆盖以产生照明面板时。

当晶体包含不同掺杂的半导体区域之间的结时，发生注入电致发光。电流将在电子和结区域中的空穴之间产生跃迁，释放出能量，这些能量可能以近单色光的形式出现，就像电子设备的显示设备中广泛使用的发光二极管（LED）一样。具有合适的几何形状，发射的光也可以是单色的，并且与半导体激光器一样是相干的。