Trong vật liệu, ở điều kiện bình thường có xảy ra các quá trình tương tác giữa vật chất và môi trường xung quanh, và tạo ra các hiện tượng phát xạ, bức xạ hay hấp thụ… Để phân tích các quá trình phát xạ và hấp thụ ta xét một hệ có hai mức năng lượng E1 và E2 với E2 > E1 như hình 3.2 sau. Trong đó E1 là trạng thái cơ sở, còn E2 là trạng thái kích thích.
- Quá trình hấp thụ ( hình 3.2 a)
Giả thuyết có một điện tử đang nằm ở mức năng lượng thấp (E1), không có điện tử nào nằm ở mức năng lượng mức cao hơn (E2), thì ở điều kiện đó nếu có một năng lượng bằng với mức năng lượng chênh lệch cấp cho điện tử thì điện tử này sẽ nhảy lên mức năng lượngE2. Việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài để truyền năng lượng cần tới một mức cao hơn được gọi là kích thích sự dịch chuyển của điện tử tới một mức năng lượng khác được gọi là sự chuyển dời. E1 = Ev = năng lượng vùng hóa trị.
E2 = Ec = năng lượng vùng dẫn. Eg = Ec – Ev = năng lượng dải trống.
Quá trình hấp thụ : khi ánh sáng tới có năng lượng photon hf = E2 – E1 (3.1)
với h = 6,625.1034 js (hằng số Planck)
-> photon sẽ bị nguyên tử hấp thụ, nguyên tử nhảy từ E1 lên E2 và được coi là đang ở trạng thái kích thích.
- Quá trình phát xạ ( hình 3.2 b)
Điện tử rời khỏi mức năng lượng caoE2 bị hạt nhân nguyên tử hút và quay về trạng thái ban đầu. Khi quay về trạng tháiE1 thì một năng lượng đúng bằng
2
E -E1 được giải phóng. Đó là hiện tượng phát xạ tự phát và năng lượng được giải phóng tồn tại ở dạng ánh sáng gọi là ánh sáng phát xạ tự phát. Photon được tạo ra tự phát th. có hướng ngẫu nhiên và không có liên hệ về pha, tức là ánh sáng không kết hợp. Theo cơ học lượng tử, bước sóng ánh sáng phát xạ được tính theo công thức:
12 E 2 E E h c − = λ (3.2)
Bước sóng tỷ lệ nghịch với độ lệch năng lượng của các nguyên tử cấu tạo nên linh kiện phát quang. Do đó bước sóng ánh sáng phát xạ phản ánh bản chất của vật liệu
- Quá trình phát xạ kích thích ( hình 3.2 c)
Phát xạ kích thích xảy ra khi có một photon có năng lượng phù hợp đập vào nguyên tử ở trạng thái kích thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng lượng và pha của các photon tín hiệu ánh sáng tới.