エネルギーバンド
金属
他の物質では個々の原子または原子の小さなグループ間の結合を生成する価電子は、金属片内のすべての原子によって等しく共有されます。したがって、これらの非局在化した電子は、金属片全体を移動し、金属光沢と、金属および合金の良好な電気伝導性および熱伝導性を提供できます。バンド理論は、このようなシステムでは、図に示されている銅金属の状態密度図のように、個々のエネルギーレベルがバンドと呼ばれる連続領域で置き換えられることを説明しています。この図は、特定のエネルギーでバンドに収容できる電子の数が変化することを示しています。銅では、バンドが電子で満たされるに近づくにつれて数は減少します。銅内の電子の数は、示されているレベルまでバンドを満たし、より高いエネルギーでいくつかの空のスペースを残します。
光子がエネルギーバンドの上部近くの電子に吸収されると、電子はバンド内で利用可能なエネルギーレベルが高くなります。光は非常に強く吸収されるため、数百原子の深さまでしか浸透できません。金属は電気の導体であるため、この吸収された光、つまり電磁波は、金属表面に交流電流を誘導します。これらの電流はすぐに金属から光子を再放出し、研磨された金属表面の強い反射を提供します。
このプロセスの効率は、特定の選択ルールに依存します。吸収と再放出の効率がすべての光エネルギーでほぼ等しい場合、白色光のさまざまな色が等しくよく反射され、磨かれた銀と鉄の表面の「銀色」の色になります。銅では、反射効率はエネルギーの増加に伴って低下します。スペクトルの青の端で反射率が低下すると、赤みがかった色になります。同様の考察は、金と真鍮の黄色を説明します。
純粋な半導体
多くの物質では、バンド密度が状態密度図に表示されます（図を参照）。これは、たとえば、純粋な物質の原子あたり平均してちょうど4つの価電子が存在し、価電子帯と呼ばれる完全に完全な下部バンドと、完全に空の上部バンドである伝導帯が生じる場合に発生します。2つのバンド間のギャップには電子エネルギーレベルがないため、吸収できる最低エネルギーの光は、図の矢印Aに対応します。これは、価電子帯の上部から伝導帯の下部までの電子の励起を表し、E gで示されるバンドギャップエネルギーに対応します。矢印BおよびCで示されているように、より高いエネルギーの光も吸収できます。
物質にダイヤモンドの5.4 eVなどの大きなバンドギャップがある場合、可視スペクトルの光は吸収されず、純粋な場合、物質は無色に見えます。このような大きなバンドギャップの半導体は優れた絶縁体であり、より一般的にはイオンまたは共有結合材料として扱われます。
顔料のカドミウムイエロー（硫化カドミウム、ミネラルグリーンオッカイトとしても知られています）のバンドギャップは2.6 eVと小さく、紫と一部の青を吸収しますが、他の色は吸収しません。これはその黄色につながります。バイオレット、ブルー、グリーンの吸収を可能にするやや小さいバンドギャップは、オレンジ色を生成します。顔料朱色（硫化第二水銀、鉱物の辰砂）の2.0 eVのようにさらに小さいバンドギャップでは、赤以外のすべてのエネルギーが吸収され、赤に変わります。バンドギャップエネルギーが可視スペクトルの1.77-eV（700-nm）限界未満の場合、すべての光が吸収されます。したがって、硫化鉛方鉛鉱などのバンドギャップの狭い半導体は、すべての光を吸収し、黒色になります。無色、黄色、オレンジ、赤、および黒のこのシーケンスは、純粋な半導体で利用可能な色の正確な範囲です。
ドープされた半導体
しばしばドーパントと呼ばれる不純物原子が半導体に存在し（ドープと呼ばれる）、価電子の数が置換原子とは異なる場合、バンドギャップ内に余分なエネルギーレベルを形成できます。ダイヤモンド結晶（炭素で構成され、それぞれが4つの価電子を持つ）の窒素不純物（5つの価電子）などの不純物の電子が多い場合、ドナーレベルが形成されます。このレベルからの電子は、光子の吸収によって伝導帯に励起されます。これは、窒素をドープしたダイヤモンドのスペクトルの青色の端でのみ発生し、補色の黄色になります。ダイヤモンドのホウ素不純物（3価電子）のように、不純物が置換する原子よりも電子の数が少ない場合、正孔準位が形成されます。フォトンは、価電子帯から正孔レベルへの電子の励起で吸収されるようになりました。ホウ素をドープしたダイヤモンドでは、これはスペクトルの黄色の端でのみ発生し、有名なホープダイヤモンドのように深い青色になります。
ドナーとアクセプターの両方を含む一部の材料は、紫外線または電気エネルギーを吸収して可視光を生成できます。たとえば、銅やその他の不純物を含む硫化亜鉛などの蛍光体粉末は、蛍光灯のコーティングとして使用され、水銀アークによって生成された豊富な紫外線エネルギーを蛍光に変換します。蛍光体は、テレビ画面の内側をコーティングするためにも使用されます。これらは、カソードルミネッセンスの電子の流れ（陰極線）によって活性化されます。また、蛍光塗料は、白色光や紫外線によって活性化され、燐光として知られている遅い発光減衰を表示します。エレクトロルミネセンスは、蛍光パネルが金属板上に堆積され、透明な導電性電極で覆われて照明パネルを製造するときのように、電気的励起から生じます。
注入エレクトロルミネセンスは、結晶がさまざまにドープされた半導体領域間の接合部を含む場合に発生します。電子機器のディスプレイデバイスで広く使用されている発光ダイオード（LED）のように、電流は接合領域で電子と正孔の間の遷移を生成し、単色に近い光のように見えるエネルギーを放出します。適切な形状の場合、放出される光は、半導体レーザーの場合のように単色でコヒーレントになることもあります。
