第五章 材-料的光学性质.pptVIP

第五章 材料的光学性能;光是一种电磁波 可见光的频率范围：4.2*1014~7.5*1014Hz 可见光作用在固体上：宏观上出现反射、折射、透射和吸收等现象；微观上则引起组成材料的原子发生电子极化和（或）电子能态的变化。 从材料的电子能带结构出发，揭示材料的光学性质的本质。;§5-1 基本概念;4.可见光是人肉眼能感知的电磁波，只占整个电磁波的很窄波段；光线的颜色取决于波长。例如0.4um紫色，0.4~0.5um蓝色，0.5um绿色，0.5~0.6um黄色，0.6um橙色，0.65um红色。白光是各种带色光的混合光。 5.电磁波在真空中的传播速度都是C=3*108m/s。 C与真空介电常数ε0和真空磁导率μ0之间的关系为： C与电磁波频率ν和波长λ之间的关系为：C=λν;二、光的波粒二象性 从量子力学理论可知：电磁波具有波粒二象性，电磁辐射可看成一系列能量量子----光子组成。光子的能量是量子化的，即 三、光和固体的相互作用 ;上述公式也可写成如下形式：;透明材料：τ大，α、ρ小； 半透明材料：透过时发生漫散射； 不透明材料:τ极小的材料。 金属对整个可见光谱都是不透明的，即所有可见光的入射不是被吸收，就是被反射； 所有的电绝缘材料都可能制成透明材料； 半导体材料中有些是透明的，有些是不透明的。;固体中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子和电子之间相互作用的结果。最重要的两种作用是电子极化和电子能态的改变。 （一）电子极化 在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核的电和中心发生相对位移。其结果：当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光线速度减小，后者导致折射。;（二）电子能态转变 电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一能态的过程。 如 这里必须明确的几个概念： 原子中的电子能级是分立的，能级间只有特定的ΔE。因此只有能量为ΔE的光子才能被该原子通过电子能态改变而吸收； 在每一次激发中，每个光子的能量将全部被吸收； 受激电子不可能无限长时间保持激发状态，经过一个短时间后，它会衰变回基态，同时发生出电磁波。衰变途径不同，发出的电磁波的频率不同。;§5-2 金属的光学性质;二、良好的反射性 大多数金属的反射率ρ=0.9~0.95。 利用这一性质可在其他材料的衬底上镀制金属膜做成反光镜----reflector. P150 图4.6 肉眼看到的金属颜色不是由吸收的波长决定，而是由反射光的波长决定的。 在白光照射下，表现为银色的金属（Ag、Al），表面反射出来的光也是由各种波长的可见光混合组成的； 其他颜色的金属（如Cu为桔红色、金为黄色）表面反射出来的可见光中以某种波长的可见光为主要成分。;§5-3 非金属材料的光学性质;由于光速减小是由电子极化引起，因而组成原子或离子的大小对光速的影响很大，一般来说,原子或离子尺寸越大，则电子极化程度愈高，光速越慢，折射率越高。 普通玻璃n=1.5，含PbO90%的n=2.1。 P146 表4.1。;二、反射 ;三、吸收 非金属对光的吸收有下列三种机理： 电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级时，这一效应才变得重要。 电子受激吸收光子而越过禁带。 电子受激吸收光子进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上。;禁带大于3.1eV，则为透明材料 禁带小于1.8eV，则为不透明材料 禁带大于1.8eV，小于3.1eV，则为半透明材料 以上指的是可见光。;每一种非金属材料对特定波长以上的电磁波不透明明（吸收），具体的波长取决于Eg。例如，金刚石的Eg=5.6eV，因而对于波长大于0.22um的电磁波是不透明的。 禁带较宽的介电材料也可以吸收光波，这是因为杂质或其他带电缺陷在禁带中引进了能级（施主能级或受主能级），使电子能够在吸收光子后实现从价带----禁带或禁带----导带的转移。;电子受激后，吸收的电磁波的能量必定会以某种方式释放出来，释放的机理有： 透过电子与空穴复合而释放； 通过禁带中的杂质能级而发生电子的多级转移，从而释放出两个光子； 还可在电子的多级转移中发出一个声子和一个光子。;介质净吸收的光波能量不仅与介质的特性有关，而且与光程有关。透射光的辐射能流率随光程x的增加而减小：;四、透射率和透明材料的颜色 P161 图4.16 和图4.17;任何选择性吸收都是由于电子受激造成的，当电子从激发态回到低能态时，又会重新发射出光波，重新发射的光的波长不一定与吸收光的波长相同，因此透射光波的波长分布是非吸收光波和重新发射光波的混合波，透明材料的颜色就是由混合波的颜色决定的。 无机玻璃上色的方法就是在玻璃处于熔融状态时，加入过渡族元素或稀土元素的离子（氧化物等），典型的离子颜色对有： Cu2+