V. LA COLORATION EXPLIQUEE PAR LA THEORIE DES BANDES
1. les métaux
Un petit détour par la mécanique quantique et la physique du solide nous fournit quelques lois fondamentales. Dans un métal, les électrons libres sont assimilés à un gaz appelé " gaz de Fermi ". On appelle la surface de Fermi, la surface d’énergie constante EF, la limite entre les états occupés et les états vides au zéro absolu.
Toutefois, il existe au-dessus de cette limite des niveaux d’énergie non occupés.
Tout photon du visible peut ainsi trouver un électron à exciter. Il en résulte que les métaux sont opaques, les photons ne peuvent pas traverser les métaux.
L’électron excité retourne très rapidement à son niveau d’énergie initial en émettant un photon de même longueur d’onde que celui qu’il a reçu. C’est pourquoi les métaux ont un fort pouvoir réfléchissant.
La plupart des métaux, comme l’argent, ont des gaps de niveaux d’énergie uniformément répartis dans tout le visible de sorte que toutes les longueurs d’ondes sont affectées de manière analogue par l’absorption et le métal apparaît sans couleur, neutre.
D’autres métaux, comme le cuivre ou l’or ont une distribution des niveaux d’énergie irrégulièrement répartie. Les photons de haute énergie (violet bleu) ont ainsi moins d’interactions avec les électrons que les photons de plus basse énergie (jaune rouge). Une partie des photons bleus peuvent en effet pénétrer dans l’or et le cuivre alors que les photons jaune et rouge respectivement sont immédiatement absorbés et réémis par la surface. Ces métaux nous paraissent donc colorés en jaune pour l’or et en rose pour le cuivre.
D’ailleurs du fait des faibles interactions entre la lumière bleue avec l’or, une fine feuille d’or peut être traversée par la lumière bleue.
Ainsi, les semi-conducteurs qui devraient être mats, vitreux, terreux , ou autre dans le noir si cela était visible, possèdent un gaz d’électrons libres dès qu’ils sont éclairés par de la lumière dans le domaine du visible. Leur aspect est ainsi similaire à celui des métaux : on parle d’éclat métallique ou submétallique. La plupart des sulfures rentrent dans cette catégorie, comme la pyrite ou la stibine.
Les semi-conducteurs dont la bande interdite est un peu plus large vont absorber des photons de plus forte énergie (violet bleu) pour libérer leurs électrons. Ils vont alors nous apparaître avec des couleurs chaudes jaune-rouge, comme le soufre, le réalgar, l’orpiment, ou le cinabre.
Les semi-conducteurs et les isolants qui ont une bande interdite plus importante n’absorbent pas dans le visible et ce mécanisme de la théorie des bandes n’affecte pas leurs couleurs.
Fig. 9 : Extraction d’un électron de valence vers la bande de conduction par absorption de lumière
Toutefois, des semi-conducteurs, comme le diamant, peuvent être dopés par des éléments accepteurs ou donneurs d’électrons (Fig. 10), sous formes d’impuretés et qui peuvent les colorer. Les éléments donneurs sont des éléments dont le niveau d’énergie de la bande de valence est proche du niveau de conduction de l’élément de base du minéral (le carbone dans le cas du diamant). Un photon du visible peut alors fournir suffisamment d’énergie à un électron superficiel de l’élément donneur pour qu’il saute jusqu’au niveau de la bande supérieure du semi-conducteur. Il y a alors absorption d’un photon d’une longueur d’onde donnée et coloration.
Un élément accepteur, lui, à un niveau d’énergie vacant légèrement supérieur au niveau de valence du semi-conducteur, un photon du visible peut ainsi fournir l’énergie nécessaire à un électron de valence du semi-conducteur pour sauter sur le niveau d’énergie sans électron de l’élément accepteur. Et comme précédemment, il y a absorption et donc coloration.
Fig. 10 : Coloration par dopage des isolants intrinsèquement incolores
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Minéraux |
Minéraux |
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conducteur |
Argent
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Assimilé conducteur métalloïde |
pyrite
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Semi-conducteur |
orpiment et réalgar
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Semi-conducteur |
Cinabre
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Isolant incolore
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Calcite
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