Ljus är en form av strålning vi nämner fotoner. En foton har en viss våglängd. För att förstå hur fotoner skapas så krävs det att förstå atomen. Atomen är bland annat uppbyggd av en kärna och elektroner, men också av partiklar som kallas hål. Elektronerna närmast kärnan har lägst energi och de ytterst har högst.
Bilden ovan visar hur ljus uppstår. De vågräta linjerna representerar olika energinivåer i atomen. Att dessa nivåer är de enda som elektronerna kan hoppa till beror på att elektronerna rör sig i ”sannolikhetsvågor”. Det som gör att någonting tar ”plats” är i grund och botten energi. När någonting antar en energi så finns detta någonting. Det är det faktumet som avgör hur många elektroner som får plats på en och samma energinivå. En viss energinivå är efter ett tag “full”. Hur många elektronerna som finns beror på vilket ämne det är. I exemplet ovan kan man se att det andra elektronskalet är fullt. Och när man då tillför energi så kan en elektron ”hoppa” upp till den högre nivån och då få massor med plats att röra sig på.
Grejen är den att en elektron föredrar att tillhöra en lägre energinivå. Så den hoppar gärna tillbaka, och det är då som energiförlusten blir till ljus! Energiskillnaden blir den exakta våglängden på
det ljus som uppstår.
Skulle det handla om en molekyl som har två atomer så dubblas antalet energinivåer och med en molekyl på tre atomer så tripplas antalet. Bilden visar hur en molekyl på två atomer fördelar sina elektroner. Molekylen får två energinivåer med två elektroner vardera och sedan två energinivåer med fyra elektroner vardera. Resterande energinivåer förblir tomma ända tills energi tillförs och elektronerna kan börja “hoppa”. Tänk dig nu en kristall bestående av hundra tusentals atomer. Denna kristall skulle ha mängder av oskiljaktiga energinivåer! Så i sådana fall skiljer man på tillåtna energi-band och förbjudna energi-gap.
Olika material fungerar olika bra för att bilda fotoner. Ett optimalt material för detta ändamål är halvledarmaterial. Vi vill ju kunna få fram ljus på beställning, exempelvis genom att trycka på en knapp.
I ett halvledarmaterial så är energi-banden antingen fulla eller tomma. Dessa material utnyttjar energi-banden och energi-gapen genom att flytta upp elektronerna från ett fullt energi-band till ett tomt energi-band med energi från exempelvis ett batteri. Då vill elektronerna genast tillbaka till sitt förgående energi-band och “hoppar” då tillbaka. Vid dessa energibyten bildas ljus av energiskillnaden mellan energibanden och då får man ljus!
Så i en ficklampa eller lysdiod sluts den elektriska kretsen när du trycker på knappen, elektronerna börjar med detsamma röra på sig, hoppar och lampan börjar lysa. Och allt inom loppet av en mikrosekund!
Ljus kan också, som vi vet, anta flertalet färger. Men hur? Färgen beror på energi-gapets längd som ger fotonen sin specifika våglängd. Den specifika våglängden ser vi som en specifik färg. Ett visst ämne med ett visst antal energinivåer och energi gap har på detta sätt sin egna färg. Är energi-gapet kort så blir våglängden på fotonen mindre då den har låg energi. Färgen är då röd. Ett bra exempel på ett halvledarmaterial hemma är fjärrkontrollens lysdiod(detta halvledarmaterial heter GaAs). Den lyser rött när den skickar signaler till tv:en om att du vill byta kanal. Vi ser inte de infraröda signalerna då de väldigt låg energi. Men om du filmar med din mobilkamera så kommer du se hur den lyser röd/violett. Halvledarmaterial används också i blixten på mobilkameran och i LED lampor.
Att få det där vita ljuset som “vanliga” lampor lyser i har krävt en hel del forskning. Blått ljus bildas med längre energi-gap (alltså med högre energi) och de gäller att kombinera de olika fotonerna för att få ett material som kan lysa vitt, eftersom vitt ljus är en blandning av alla olika energinivåer (färger). Därför så lös de första LED lamporna väldigt starkt och blåaktigt. Idag har man utvecklat material som GaN och InGaN som finns i alla led lampor och lyser vitt. Det som gör LED lampor effektiva är att de knappt tappar någon energi på vägen, den energin som man tillför lämnar materialet som ljus. Vanliga lampor har en stor energiförlust som både kostar för vår plånbok och för miljön! Och det är en stor anledning till varför de blir de allt mer populära. Trots att de är dyrare än vanliga lampor så väljer allt fler att köpa LED lampor då de håller längre och kräver mindre energi.
Forskningen om ljus och dess användningsområden är i full gång just nu och i framtiden så kanske datorerna läser av ljuskoder istället för elektriska impulser.