Callister_-_Engenharia_e_Cincia_dos_Materiais_ptg_ ... - Ufrgs

energia E 2 para um estado vazio de energia superior, denotado E 4 , pela absorção de um
fóton de energia. A mudança em energia experimentada pelo elétron, ∆E, depende da
frequência de radiação como se segue:
∆E = h ν (22.6)
onde, de novo, h é a constante de Planck. Neste ponto é importante que vários conceitos
sejam entendidos. Primeiro, uma vez que os estados de energia para o átomo são discretos,
existem apenas valores específicos de ∆E entre os níveis de energia; assim, apenas os fótons
de frequências correspondendo a ∆E possíveis para o átomo podem ser absorvidos por
transições eletrônicas. Além disso, toda a energia de um fóton é absorvida em cada evento de
excitação.
Figura 22.3 – Para um átomo isolado, uma ilustração esquemática de uma absorção de fóton
pela excitação de um elétron a partir de um estado de energia para outro. A energia do fóton
(hν 42 ) deve ser exatamente igual à diferença em energia entre os dois estados (E 4 – E 2 ).
Um segundo importante conceito é que um elétron estimulado não pode remanescer
num estado excitado indefinidamente; após um pequeno tempo, ele cai ou retorna de volta
para o seu estado terreno (estado do chão, “ground state”) ou nível não excitado com uma
reemissão de radiação eletromagnética. Vários passos de decaimento são possíveis e esses
são discutidos mais tarde. Em qualquer caso, deve existir uma conservação de energia para
transições eletrônicas de absorção e emissão.
Como mostram as discussões que se seguem, as características óticas de materiais
sólidos que relacionam à absorção e emissão de radiação eletromagnética são explicadas em
t ermos da estrutura de banda eletrônica do material (estruturas de banda possíveis foram
discutidas na Seção 19.5) e os princípios relacionados às transições eletrônicas, como
delineados nos dois parágrafos precedentes.
PROPRIEDADES ÓTICAS DE METAIS
Considere-se os esquemas de banda de energia eletrônica para metais como ilustrados
na Figura 19.4a e 19.4b; em ambos os casos uma banda de alta energia está apenas
parcialmente preenchida com elétrons. Metais são opacos porque a radiação incidente tendo
frequências dentro da faixa visível excita elétrons para dentro dos estados de energia
desocupados acima da energia de Fermi, como demonstrado na Figura 22.4a; como uma
consequência, a radiação incidente é absorvida de acordo com a Equação 22.6. Absorção total
está dentro de uma muito fina camada externa usualmente menor do que 0,1µm; assim,
apenas filmes metálicos mais finos do que 0,1µm são capazes de transmitir a luz visível.
Figura 19.4. As várias possíveis estruturas de banda eletrônica em sólidos a 0 K. (a) A
estrutura de banda eletrônica encontrada em metais tais como cobre, na qual existem
disponíveis estados eletrônicos acima e adjacente a estados preenchidos, na mesma banda.
(b) A estrutura de banda eletrônica de metais tais como magnésio, onde existe uma
superposição da banda de valência preenchida com uma banda de condução vazia. (c) A
estrutura de banda eletrônica característica de isoladores; a banda de valência preenchida está
separada da banda de condução vazia por uma relativamente grande lacuna (“gap”, > 2eV). A
estrutura de banda eletrônica encontrada nos semicodutores, que é a mesma daquela para
isoladores exceto que a lacuna (“gap”) da banda é relativamente estreita (< 2 eV).