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7 보석의 광학적 특성 7.12 색의 원인
출처: Gemology Project 소스: EK 이페어케이 플러스
7.12: 색의 원인
보석학
보석학 프로젝트
기초의
일반적으로 색상은 특정 파장의 빛이 물질(보석)에 의해 흡수되고 다른 파장은 변경되지 않고 물질을 통과할 수 있기 때문에 발생합니다.
보석을 통과하는 파장의 최종 결과는 보석에 최종 색상을 부여합니다.
색상을 보려면 최소 3개의 변수가 필요합니다.
광
물질
비젼(눈)
그들 중 하나라도 없으면 색상을 볼 수 없습니다. 예를 들어, 스웨터가 흡수할 빛이 없기 때문에 빨간 스웨터는 어둠 속에서 색이 없습니다.
그림 \(\PageIndex{1}\): 적색을 제외한 모든 파장의 흡수
백색광은 빨간색, 주황색, 노란색, 녹색, 남색, 파란색 및 보라색의 7가지 스펙트럼 색상(무지개에서 볼 수 있음)의 혼합물입니다.
이러한 각 색상은 특정 파장(빨간색의 경우 약 700nm, 보라색의 경우 약 400nm)으로 이동하며 특정 양의 에너지를 전달합니다.
물질이 빨간색을 제외한 모든 스펙트럼 색상(무지개의 색상)을 흡수하면 잔여 색상은 빨간색입니다.
따라서 최종 결과는 빨간색이 됩니다. 빨간색과 파란색을 제외한 모든 색상이 흡수되면 남은 색상(최종 결과)은 보라색 보석이 됩니다.
색상을 생성할 수 있는 조합은 총 약 1,600만 가지입니다.
빛의 흡수는 일반적으로 빛 에너지를 열로 변환합니다. 이것이 frigidaires가 흰색인 이유입니다. 백색 물질은 빛을 흡수하지 않기 때문에 열을 차단하는 데 매우 효과적이다.
테이블 \(\PageIndex{1}\): 색칠 요소
요소 색상
타이타늄 파랑
바나듐 초록색 / 색상 변경
크로뮴 빨강 - 녹색
망간 분홍색
철 빨강 - 녹색 - 노랑
코발트 파랑
니켈 녹색
구리 초록색 - 파란색
파장(색상)의 흡수는 특정 요소가 해당 파장의 에너지를 흡수하기 때문에 발생합니다.
색상을 흡수하는 주요 요소는 "전이 금속" 요소입니다.
이러한 전이 금속은 부분적으로 채워진 d-쉘(완전히 채워진 쉘과 반대)을 가지고 있으며
d-쉘의 일부 전자는 짝을 이루지 않습니다.
파장이 짝을 이루지 않은 전자를 더 높은 에너지 상태로 올리기에 충분한 에너지를 전달
하면 해당 파장의 에너지가 전자에 완전히 흡수되고 전자가 원래(접지) 상태로 떨어질 때 빛 에너지는 일반적으로 열로 변환됩니다.
이것은 특정 파장(또는 색상)이 스펙트럼에서 제거되거나 더 잘 "흡수"됨을 의미합니다.
짝을 이루지 않은 전자를 더 높은 에너지 상태로 올리는 데 필요한 에너지(따라서 흡수를 유발하는 데 필요한 에너지)는 쌍을 이루는 전자를 올리는 데 필요한 에너지보다 훨씬 적습니다.
가시광선의 에너지는 쌍을 이루는 전자를 발생시키기에 충분하지 않지만 전이 금속 원소의 d-쉘에 있는 짝을 이루지 않은 전자를 발생시킬 수 있습니다.
그렇기 때문에 전환 요소는 "착색 요소" 또는 "착색제"라고도 합니다. 전이 금속 원소 외에도 일부 희토류 금속은 착색 원소 역할도 합니다.
착색제는 이상적인 화학 성분의 일부이거나 결정에서 불순물로 발생할 수 있습니다.
우리는 이것에 따라 미네랄을 두 그룹으로 나눕니다.
Idiochromatic - 화학식의 일부인 착색제로 착색된 광물(예: 공작석) : 공작석
Allochromatic - 착색제는 이상적인 화학 성분의 일부가 아닙니다
(예 : 에메랄드 및 루비) (예 : 에메랄드 및 루비)
전이 금속 원소 이론은 색상의 원인에 대한 좋은 기본 이해 역할을 하지만 다른 메커니즘이 작용할 수 있습니다.
일부 원소는 함께 작용하여 색을 형성하는 반면(분자 궤도 이론), 다른 경우에는 결정의 특정 위치("사이트")에 전자나 원소가 없으면 색 중심이 생성됩니다.
모든 이론의 공통점은 들어오는 빛(파장)의 일부 에너지가 흡수되고 잔류 색상(파장)이 보석(또는 다른 물질)의 최종 색상을 결정한다는 것입니다.
고급
색상의 원인은 4가지 이론으로 나눌 수 있습니다.
결정장 이론
전이 금속 화합물 (공작석, 알만딘) - idiochromatic
전이 금속 불순물(루비, 에메랄드, 황수정, 옥) - 동색소
컬러 센터(자수정, 맥식스-베릴)
분자 궤도 이론
전하 전송(사파이어, 아이오라이트)
밴드 이론
절연체(유리)
도체(금속)
반도체(갈레나)
도핑된 반도체(다이아몬드)
물리적 특성 이론
분산(다이아몬드 화재)
산란(월장석, 고양이 눈, 별)
간섭(무지개 빛깔, 오팔)
회절 (단백석)
결정장 이론
결정장 이론은 전이 요소(이등색 또는 동색)와 색상 중심에서 전자의 여기로 인해 발생하는 색상을 설명합니다.
전이 금속 이온이 부분적으로 채워진 d-쉘을 가질 때, 외부 d-쉘의 전자는 짝을 이루지 않은 핵을 공전합니다(또는 적어도 일부 전자가 공전합니다). 결정 격자의 주변 이온은 이러한 전이 요소 주위에 힘("결정장")을 생성하고 이러한 장의 강도는 짝을 이루지 않은 전자에 사용할 수 있는 에너지 수준을 결정합니다.
이러한 에너지 준위 시스템은 격자의 결합 강도와 특성뿐만 아니라 전이 요소의 원자가 상태에 따라 달라집니다. 이것들은 모든 크리스탈에서 다릅니다.
에너지와 에너지 준위가 양자화됨에 따라 전자는 바닥 상태에서 더 높은 에너지 준위로 "점프"하기 위해 특정 양의 에너지가 필요합니다.
전자가 여기시키는 데 사용할 수 있는 에너지 준위를 결정하는 복잡한 계산은 또한 여기 준위를 제외하는 몇 가지 선택 규칙을 제공합니다
그림 \(\PageIndex{2}\): 루비에서의 흡수
루비에서는, 크롬3+ Al의 일부를 대체합니다.3+ Al의 이온2O3 격자. 크롬은 이상적인 구성의 일부가 아니기 때문에 루비는 동색이라고 합니다.
크롬 불순물 주위의 결정장은 짝을 이루지 않은 전자가 사용할 수 있는 몇 가지 양자화된 에너지 준위를 만듭니다. 이들은 레벨 B, C 및 D로 표시됩니다.
그러나 선택 규칙에 따라 이 경우 레벨 B를 구동에 사용할 수 없습니다.
레벨 C와 D는 각각 2.23eV 및 3eV의 에너지에 해당합니다.
레벨 C(2.23eV)로 점프하는 데 필요한 에너지는 황록색광에 해당하고 레벨 D(3eV)는 보라색에 해당합니다.
즉, 백색광이 루비에 들어가면 황록색과 보라색 빛이 짝을 이루지 않은 전자에 흡수되고 이러한 전자는 이제 C 또는 D 수준으로 여기될 수 있는 충분한 에너지를 갖게 됩니다.
흡수되지 않은 잔여 색상은 루비의 붉은 색을 결정합니다.
동일한 선택 규칙은 또한 여기된 전자가 바닥 상태(A)로 후퇴하는 것을 금지하지만 대신 먼저 B로 후퇴해야 합니다.
레벨 B의 전자가 바닥 상태로 디여기되면 적색광의 방출(형광)이 발생하여 백색광의 황록색 및 보라색 부분의 흡수로 인해 이미 적색에 추가 빛을 제공합니다.
그림 \(\PageIndex{3}\) : 루비와 에메랄드의 에너지 수준에 대한 개략도
에메랄드 에메랄드의의 경우 동색색도 Cr에 의해 발생합니다.3+ 불순물, 메커니즘은 유사하지만 주변 요소의 결정장은 강도가 낮고 흡수 밴드의 이동을 유발합니다.
D 레벨은 2.8eV로 낮아지고 C 레벨은 2.05eV로 낮아지지만 B 레벨은 거의 동일합니다(1.79eV 대신 1.82).
그 결과 에메랄드는 가시광선의 대부분의 보라색과 적색 부분을 흡수하여 적색 형광을 가진 지배적인 청록색 투과를 남깁니다.
크리소베릴의 일종인 알렉산드라이트도 크리소베릴의 일종인 알렉산드라이트도 Cr로 착색됩니다.3+ 불순. 알렉산드라이트의 흡수 방식은 루비와 에메랄드의 흡수 방식 사이에 있으며 입사광의 강도에 따라 알렉산드라이트의 색상이 결정됩니다.
자연광은 청록색이 더 풍부하고 백열등은 스펙트럼에 빨간색이 더 많습니다. 이로 인해 알렉산드라이트는 낮에는 청록색(에메랄드색)이 되고 백열등에서는 적자색(자수정 모양)이 됩니다.
바나듐 (V3+)는 천연 및 합성 커런덤 커런덤에서 동일한 "알렉산드라이트" 색상 변경 효과를 일으킵니다.
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전이 금속 불순물로 인한 동색 색상
전이 금속 불순물의 단순한 발생이 반드시 보석의 색상을 유발하는 것은 아닙니다
특정 원자가의 필요성 외에도 이온은 흡수를 담당해야 하며 다른 메커니즘(예: 색상 중심 및 전하 전달)이 더 우세할 수 있습니다.
크롬의 경우 빨간색과 녹색과 같이 특정 불순물이 다른 색상을 유발할 수 있는 것처럼 다른 불순물도 동일한 색상(예: 에메랄드의 바나듐)을 유발할 수 있습니다.
전이 금속 성분에 의한 이색색
위에서 설명한 결정장 이론은 이상적인 화학 조성에서 전이 금속 이온을 갖는 광물에도 적용됩니다.
색상 중심
비전이 금속 이온의 짝을 이루지 않은 전자는 특정 상황에서 색상을 생성할 수도 있습니다. 이것은 이온의 잘못된 배치(및 짝을 이루지 않은 전자가 그 자리를 차지함) 또는 (자연 또는 인공) 방사선에서 전자의 변위로 인해 발생할 수 있습니다.
두 경우 모두 "색상 중심"이 생성되고 전이 금속 이온의 짝을 이루지 않은 전자와 마찬가지로 입사광의 흡수를 통해 짝을 이루지 않은 전자를 더 높은 에너지 수준으로 올릴 수 있습니다.
첫 번째 경우(잘못 배치된 이온을 대체하는 전자)에서 색상 중심은 "전자 정공 중심"이고 후자의 경우 "정공 색상 중심"을 생성합니다.
전자 색상 중심
그림 \(\PageIndex{4}\): 형석의 전자 색상 중심
형석은 전자 색상 중심의 메커니즘을 설명하는 데 가장 자주 사용됩니다.
형석의 보라색은 불소(F) 이온이 없기 때문에 발생하며 전자는 전자가 남긴 빈 공간에 갇
혀 있습니다.불소 이온이 결정 격자의 특정 부위에서 누락되는 데에는 여러 가지 이유가
있습니다.
그 중에는 과도한 칼슘과 방사선이 있습니다. 크리스탈의 성장 중 또는 성장 후. 이것은
소위 "F-중심"(또는 "Farbe 중심" - Farbe는 색상을 뜻하는 독일어 단어)을 생성하고 결
정의 짝을 이루지 않은 전자 풀의 자유 전자(밴드 이론 참조)가 공석에 갇히게 됩니다
이 짝을 이루지 않은 전자는 광자의 에너지 흡수에 의해 현재 사용 가능한 더 높은 에너지 수준으로 상승할 수 있으며 위에서 설명한 것과 유사한 흡수 및 형광 결정장 규칙이 적용
됩니다.-
불소 이온은 일반적으로 치환되어 격자에 틈새를 생성하는데, 이는 소위 "프렌켈 결함"이라고 하며, 이는 일반적으로 존재하지 않는 격자의 특정 부위에 이온이 있음을 의미합니다. 이 변위된 불소 이온은 색의 발달에 역할을 하지 않습니다(그것이 남기는 공석만 있습니다).
"전자 색 중심"이라는 용어는 일반적으로 존재하지 않는 곳에 "자유로운" 전자가 있다는 사실을 나타냅니다.
이미지의 상황 A는 형석의 이상적인 구성을 보여주고, 상황 B는 변위된 불소 이온에 의해 남겨진 빈 공간에 갇힌 전자를 보여줍니다.
구멍 색상 중심
그림 \(\PageIndex{5}\): 스모키 쿼츠의 구멍 색상 중심
구멍 색상 중심은 일반적으로 오른쪽 이미지와 같이 스모키 쿼츠 스모키 쿼츠로 표시됩니다.
석영(SiO2) 원자가 상태가 4+인 일부 실리콘 이온은 원자가가 3+인 알루미늄 이온으로
대체됩니다. 전기 중성을 유지하기 위해 수소 원자(또는 Na)가 근처에 존재합니다.
이로 인해 산소 원자의 전자에 가해지는 힘이 약해지고 방사선(X선, 감마선 등)이 산소 원자의 약한 결합 전자 중 하나를 제거할 수 있습니다.
이것은 구멍을 남기고(하나의 전자가 누락됨) 산소 이온에서 현재 짝을 이루지 않은 전자에 다른 에너지 준위를 사용할 수 있게 됩니다.
결정장 이론은 이제 짝을 이루지 않은 나머지 산소 전자에 적용되며 결과 색상은 스모키 쿼츠라는 이름을 딴 스모키 브라운입니다. 변위된 전자는 결정 격자의 다른 부위에 갇히게 되며 색상 형성 계획에 기여하지 않습니다.
치환 알루미늄 이온은 "전구체"로 작용하며 메커니즘에 필수적입니다.+
자수정에서 작용은 비슷하지만 전구체는 철 (Fe3+)을 사용하여 일반적인 보라색을 생성합니다.
"정공 색 중심"이라는 용어는 정공을 남기는 누락된 전자를 나타냅니다.
결정이 가열되면(스모키 석영의 경우 약 400°C, 자수정의 경우 ± 450°C) 변위된 전자는 함정에서 풀려나 원래 위치로 돌아가 다시 쌍을 이루는 전자로 이동합니다.
그러면 크리스탈의 색상이 원래 색상(일반적으로 자수정의 경우 노란색("황수정") ("황수정") 또는 녹색("prasiolite") ("prasiolite") 또는 스모키 쿼츠의 경우 무색)으로 돌아갑니다.
재조사 후 정공 색 중심을 재현할 수 있으며 결정이 과열되지 않는 한 이 과정을 무한히 반복할 수 있습니다.
결정을 가열하고 구멍 색상 중심을 파괴하는 과정을 "표백"이라고 합니다.
분자 궤도 이론
분자 궤도 이론은 여러 원자(두 개 이상)가 화학적으로 결합할 때 전자가 이동하는 경로(궤도)를 설명합니다. 원자가 분자로 결합하기 위해서는 전자를 공유하거나 교환해야 합니다.
기초 화학(및 보석학)에서 오비탈을 설명하는 데 사용되는 대부분의 다이어그램과 교과서는 2차원 고리에서 전자의 오비탈 또는 움직임을 보여줍니다. 기본적인 이해에는 충분하지만 궤도는 3차원이며 전자는 복잡한 구름에서 움직입니다.
이러한 오비탈에 대한 심층적인 설명은 이 이론을 설명하는 데 매우 유용할 수 있지만 매우 복잡한 주제이며 보석학의 영역을 넘어섭니다.
대신, 우리는 원자 사이에서 발생할 수 있는 다양한 유형의 결합에 초점을 맞출 것입니다.
이온 결합
공유 결합
이 두 결합은 서로 다른 특성을 가지고 있지만 대부분 둘 다 보석의 화학적 결합에 중요한 역할을 하며 보석의 화학식을 구성하는 다양한 원소의 전기 음성도와 직접적인 관련이 있습니다.
이온 결합 또는 공유 결합 모두에서 역할을 하는 것은 원자의 외부 껍질에 있는 전자뿐입니다.
전기 음성도
그림 \(\PageIndex{6}\): 전기 음성도 척도
전기 음성도는 특정 요소가 서로 끌어당기는 힘을 나타냅니다.
원소 주기율표가 배열되는 방법 중 하나는 전기 음성도에 의한 것입니다.
일반적으로 오른쪽 상단 모서리의 원소는 왼쪽 하단 모서리의 원소보다 전기 음성도가 더 강합니다.
서로 다른 원소가 결합하여 분자를 형성하려고 할 때 전기 음성도가 가장 높은 원소가 가장 탐욕스럽고 전기 음성도가 낮은 원소보다 우선합니다.
두 원소 사이에 큰 전기 음성도 차이가 있을 때 전기 음성도가 더 높은 원소가 다른 원소에서 전자를 잡아 두 원소 사이에 매우 강한 결합을 일으킵니다.
"탐욕스러운" 원소는 여분의 음전하를 가지며(다른 원소에서 음전하를 띤 전자를 잡았기 때문에) 두 원소 사이의 분극이 발생합니다.
이 분극(한 요소는 양전하를 띠고 다른 요소는 음전하를 띱니다)은 자석처럼 작용하며 두 요소는 서로 매우 가깝습니다.
즉, 그들은 매우 강한 결합을 형성하고 전자의 교환(기증 및 수신)이 있을 것입니다. 이를 이온 결합이라고 합니다.
그러나 전기 음성도 차이가 매우 낮거나 전기 음성도가 같으면 결합이 강하지 않고 원자(원소)의 외피에 있는 전자가 서로 다른 원소 간에 공유되고 해당 전자는 두 원소 사이를 자유롭게(그러나 특정 규칙에 따라) 이동할 수 있습니다.
이러한 유형의 느슨한 결합을 공유 결합이라고 하며 분자를 구성하는 원자는 이온 결합보다 더 멀리 떨어져 있습니다.
공유 결합은 전자를 교환하는 데 필요한 에너지가 흡수를 일으키기 때문에 색상 형성에 큰 역할을 합니다.
전하 전달은 에너지가 분자에 적용될 때 공유 결합에서 전자의 지속적인 교환을 설명하는 일반적인 용어입니다.
이온 결합과 공유 결합의 주요 차이점은 이온 결합에는 전자의 기증/수신이 있는 반면 공유 결합에는 전자의 공유가 있다는 것입니다.
충전 전송
그림 \(\PageIndex{7}\): 아이올라이트의 전하 전달
다른 요소(특히 전환 요소)는 서로 다른 원자가 상태에 존재할 수 있습니다.
이러한 하전 원자(이온)가 공유 결합을 형성할 때 외부 껍질의 일부 전자는 이 두 이온 사이를 이동할 수 있습니다.
이로 인해 두 이온 사이에 전하 이동이 발생하며 에너지 흡수를 통해서만 발생할 수 있습니다. 그 전환에 필요한 에너지가 빛의 가시 범위(또는 그 근처)의 에너지와 같으면 색상이 생성됩니다.
아이오라이트의 경우 아이오라이트 Fe 사이의 전하 전달에 의해 색상이 발생하는 것으로 믿어집니다2+ 및 Fe3+ 이온. 더 페2+ 이온은 Fe보다 외피에 전자가 하나 더 있습니다.
3+ 이온. 그 전자는 Fe에 끌립니다.3+ 이온과 전자가 Fe를 공전할 때3+ 이온, 그 이온은 Fe가 될 것입니다.
2+ 이온. 본래 Fe2+ 그러면 이온이 Fe가 됩니다.3+ 이온과 프로세스가 반복됩니다.
이러한 전송에 대한 일반적인 표기법은 [Fe^{2+} + Fe^{3+} \rightarrow Fe^{3+} + Fe^{2+}\]입니다.
사파이어의 사파이어 경우 작동은 비슷하지만 전환은 Fe 사이입니다.
2+ 및 Ti4+. 사파이어의 착색에 영향을 줄 수 있는 다른 많은 요소가 있지만 (파란색) 사파이어의 일반적인 표기법은 \[Fe^{2+} + Ti^{4+} \rightarrow Fe^{3+} + Ti^{3+}\]입니다.
밴드 이론
밴드 이론은 원래 금속의 전기 전도도를 설명하기 위해 개발되었습니다.
나중에 이 이론은 양자 역학과 함께 더욱 발전했으며 이를 통해 재료(예: 보석)의 색상도 설명할 수 있습니다.
전기 전도도는 물질을 통한 음전하를 띤 전자의 자유 이동에 따라 달라집니다.
전자가 고체(예: 금속 또는 결정)를 통과하려면 전자가 이동할 수 있는 공간이 있어야 합니다.
당신이 사람들로 가득 찬 방에 있고 방의 다른 쪽 끝으로 걸어가고 싶다고 상상해 보십시오. 꽉 찬 방에서는 사람이 너무 많아서 건널 수 없습니다.
이제 사람이 없는 방 위에 발코니가 있다고 상상해 보십시오. 사람들 중 몇몇이 발코니로 뛰어 올라갈 수 있을 만큼 충분한 에너지를 몸에 가지고 있을 때, 그 사람들은 이제 자유롭게 움직일 수 있습니다.
그 사람들이 발코니로 이동하는 동안 방에 공간을 남겨 나머지 사람들이 움직일 수 있는 더 많은 공간을 확보합니다.
물론 사람들이 발코니로 뛰어내리려면 에너지가 필요합니다. 만약 그들이 그 에너지를 가지고 있지 않다면, 그들은 그저 뒤로 물러날 것입니다. 따라서 방과 발코니 사이에 다리가 필요한 틈이 있습니다.
고체의 전자에도 동일하게 적용됩니다.
그림 \(\PageIndex{8}\): 밴드(갭) 이론
이전 이론에서는 하나 또는 두 개의 하전 원자 (이온)에 초점을 맞췄습니다.
일부 전자는 원자 주위에 채워진 에너지 준위에 있으며 핵에 매우 강한 결합력을 갖는다는 점에서 매우 국소화되어 있습니다.
그러나 외부(채워지지 않은) 껍질의 전자는 이온 결합 또는 공유 결합을 통해 다른 원자와 결합하는 역할을 할 수 있습니다.
이러한 전자는 원자가 전자라고 하며 핵에 느슨하게 결합되어 있습니다. 실제로 결정에는 매우 많은 수의 원자가 전자가 있습니다(입방 밀리미터당 수십억 개).
느슨하게 결합된 원자가 전자를 모두 전자 풀에 넣으면 가상의 원자가 전자 풀을 얻을 수 있습니다. 그 "풀"을 원자가 밴드라고 합니다.
원자가 밴드가 전자로 완전히 채워져 있기 때문에 전자의 이동이 불가능합니다.
따라서 전기 전도성이 있을 수 없습니다. 전자가 이 가전자대에서 벗어나 전도대(발코니)로 들어갈 수 있는 충분한 에너지를 갖는다면 전기 전도성이 가능합니다.
다양한 재료에서 밴드 갭 (1 층과 발코니 사이의 거리)이 다릅니다.
전자가 이 간극을 극복하는 데 필요한 에너지에 따라 물질을 세 가지 범주로 나눕니다.
절연체(전기 전도성이 없는 큰 간격)
도체(전기 전도성이 우수한 중첩 에너지 레벨에 대한 갭이 작거나 없음)
반도체(절연체와 도체 사이의 중간체)
절연체에서는 간격이 너무 커서 정상적인 조건(실온)에서는 전자가 원자가와 전도대 사이의 큰 간격을 메우기에 충분한 에너지가 없습니다.
결과적으로 큰 간격을 가진 재료는 전기 절연체뿐만 아니라 무색입니다.
마지막 부분(무색)은 고체가 가시광선에서 에너지를 흡수할 수 없기 때문에 논리적입니다. 유리는 좋은 절연체의 예입니다.
도체(예: 금속)에는 밴드 갭이 매우 작거나 밴드 갭이 전혀 없습니다(일반적으로 밴드와 전도 갭이 겹침). 따라서 전자는 전도대에 쉽게 있을 수 있습니다.
전자가 가전자대에서 전도대로 이동하는 데 필요한 에너지가 거의 없기 때문에 가시광선의 모든 에너지가 흡수되기 때문에 이러한 물질은 불투명합니다.
이상적인 상황은 불투명한 검은색 재질을 생성하지만 다른 힘으로 인해 색상이 지정된 불투명 재질(예: 금색의 경우 노란색)로 바뀔 수 있습니다.
반도체는 위에서 언급한 두 상태 사이의 중간이며 반도체를 두 가지 범주로 나눕니다.
진성 반도체(순수 원소)
외부 반도체(도핑 원소)
도핑은 동색 보석과 같이 결정 격자에 다른 원자가 상태를 가진 불순물이 있음을 의미합니다.
그림 \(\PageIndex{9}\): 다이아몬드의 루이스 도트 구조.
밴드 갭이 큰 고유 반도체는 일반적으로 절연체(예: 다이아몬드)로 작동합니다.
다이아몬드 구조의 모든 탄소 원자는 4개의 원자가 원자를 가지고 있으며 4개의 다른 탄소 원자와 결합하여 사면체 분자 구조를 형성하려고 합니다.
이것은 순수한 다이아몬드 구조에서 밸런스 밴드가 완전히 채워지고 전도대가 비어 있음을 의미합니다(따라서 전기 전도가 존재하지 않음).
그러나 원자가대에 공간을 만들거나 전도대를 차지할 수 있는 수단을 찾을 수 있다면 다이아몬드는 전기 전도체가 될 수 있습니다.
이를 위해서는 "이상적인" 다이아몬드 구조에서 탄소 원자를 대체할 불순물이 필요합니다.
그림 \(\PageIndex{10}\): 두 종류의 도핑된 반도체
탄소(C) 원자를 4개가 아닌 5개의 원자가 전자를 갖는 질소(N) 원자로 대체하면 전자가 너무 많아집니다.
그 과잉 전자는 전도대 아래의 밴드 갭 내부에 추가 에너지 준위를 생성합니다.
이 여분의 전자 에너지 준위의 일부 전자는 이제 전도대로 여기될 수 있습니다.
이러한 유형의 도핑된 반도체를 N형 반도체(여분의 전자에서 음전하를 띤 후 N)라고 합니다. 옐로우 타입 IIa 다이아몬드가 이 유형의 예입니다.
반대의 경우도 마찬가지인데, 3개의 원자가 전자가 있는 격자에 붕소(B)를 도입하면 다이아몬드는 양전하를 띠고 에너지 갭(밴드 갭의 또 다른 용어)에 구멍을 만듭니다.
가전자대의 전자가 흥분되어 정공을 채우고 가전자대에 정공을 만듭니다. 가전자대의 이웃 전자가 그 정공을 채우고 정공이 가전자대를 통해 이동하는 것처럼 보이며 전도성을 생성합니다.
이 유형을 P형 반도체(정공에 의해 생성된 양전하의 이름을 따서 P)라고 합니다. 블루 IIb 타입 다이아몬드가 그 예입니다. 조사된 블루 다이아몬드는 전도되지 않으므로 구별할 수 있습니다.
물리적 특성 이론
이전 이론은 전자 상호 작용에서 비롯된 색상의 원인을 설명하지만 색상을 생성할 수 있는 몇 가지 다른 방법이 있습니다. 대부분 분산, 산란, 간섭 및/또는 회절로 분 분산, 산란, 간섭 및/또는 회절로 인한 색상 패치로 표시됩니다.
이 모든 현상은 다른 장에서 설명됩니다.
소스
Kurt Nassau (1978) - 광물에서 색의 기원
The Physics and Chemistry of Color, 2판, Kurt Nassau (2001)
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