材料科学基础第二章_ppt课件

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1、材料科学与工程基础主讲人：张红鹰4.5材料的光学性能（OpticalPropertiesofMaterials）4.5.1电磁辐射及其与原子的相互作用（InteractionofElectromagneticRadiationandAtoms）4.5.2折射、反射、吸收和透射（Rfraction、Reflection、AbsorptionandTransmission）4.5.1电磁辐射及其与原子的相互作用（InteractionofElectromagneticRadiationandAtoms）光是一种电磁波，它是

2、电磁场周期性振动的传播所形成的电磁波具有宽阔的频谱白光是各种色光的混合光一、光的波动性一、光的波动性而周期和频率的关系为波长为故光波的速度光在不同介质中的传播速度不同，而光振动的频率不变，因此相同频率的光波在不同介质中有不同的波长三、光和固体的相互作用固体材料的光学性质，取决于电磁辐射与材料表面、近表面以及材料内部的电子、原子、缺陷之间的相互作用。光从一种介质进入另一种介质时：透射、吸收、反射、散射光与固体相互作用的本质有两种方式电子极化电子能态转变从微观上分析，其实就是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用

3、电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量在可见光范围内，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，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射1、电子极化2、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种能态的过程材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频率有关：∆E=hν受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波

4、，即自发辐射光从一种介质进入另一种介质时，入射光通过介质界面单位时间通过单位面积的能量。单位：W/m2当光通过介质时会发生如下的现象1）透过介质，2）吸收，3）反射，4）散射根据能量守恒：或3、光辐射能流率4.5.2折射、反射、吸收和透射（Rfraction、Reflection、AbsorptionandTransmission）光照射到某种材料上时，将产生光的反射与折射、光的吸收与透射。1、光的折射光子进人材料，其能量将受到损失，因此光子的速度将要发生改变。当光从真空进入较致密的材料时，其速度下降。光在真空和在材料

5、中的速度之比，称为材料的折射率n。n=v真空/v材料=C/v材料光从材料l通过界面进人材料2时，与界面法线所形成的入射角为θ1，折射角为θ2，则材料2相对材料l的相对折射率为Sinθ1/Sinθ2=n2/n1=v1/v2=n21材料的折射率是永远为大于1的正数。例如空气n=1.0003。2、光的反射当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光，如右图。这种反射和折射，可以连续发生。镜面反射和漫反射在材料表面，光洁度非常高的情况下，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。漫反射的产生是由于材料表面粗

6、糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样，致使总的反射能量分散在各个方向上。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。由于反射，使得透过部分光的强度减弱。通常用反射率R表示被反射光强的百分数。R=IR/I0IR为反射光的强度；I0为入射光的强度。光线穿过介质1垂直入射介质2的情况下，光在界面上的反射率取决于两种介质的折射率n1和n2。如果介质1为空气，可以认为n1＝1，相对折射率n21＝n，则:显然，如果两种介质折射率相差很大，因此反射损失相当大，透过系数只有(1－R)。若两种介质折射率相同，则R=0。垂

7、直入射时，光透过几乎没有损失。光透过的界面越多，且材料的折射率相差越大，界面反射就越严重。由于陶瓷等材料的折射率较空气的大，所以反射损失较严重。3、光的吸收光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外，介质中的价电子因吸收光子能量而激发，当尚未发出光子退激而在运动中与其他原子或分子碰，电子的能量转变成热能，从而构成光能的衰减，即光吸收。设有一块厚度为ｘ的平板材料，入射光的强度为I0,通过此材料后光的强度为I’(如图)。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失dI正比于在此处的光

8、强I和薄层的厚度dx，即dI=－аIdx，积分后可得：I=I0exp（-аx）式中I为透射后的强度，а为吸收系数，其单位为cm-1。可见，光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律，这一规律称为朗巴特(Lambert)定律。材料对光的吸收率与波长的关系金属对光能吸收很强烈这是因为金属的价电子处于未满带，吸收光子后呈激发态，用不着跃