光学性能及腐蚀性能材料科学基础.ppt

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1、4-5材料的光学性能(opticalproperties)4-5-1电磁辐射及其与原子的相互作用Interactionsofelectromagneticradiationandatoms1、光波是指波长在特定范围内的电磁辐射。因此，光和物质的相互作用——取决于物质电磁性质的基本参数,即电导率、介电常数和磁导率。2、光子能量energyEofaphotonE＝hc／λ＝hνh为普朗克常数；ν为光的频率；c为光速；λ为波长可以认为辐射的强度I就是单位时间射到单位面积上的光子数目4、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、

2、缺陷之间的相互作用3、电磁辐射与物质的相互作用是由电子跃迁和极化效应实现的只有能量hν＝⊿E的光子可以被吸收4-5-2吸收、反射和透射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、光的吸收(photonabsorption)（1）光吸收的一般规律朗伯特定律I＝I0e－αx空气:≈10-5cm-1玻璃:＝10-2cm-1金属:则达几万到几十万---吸收系数，cm-1取决于材料的性质和光的波长。越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。Section19.7（2）光吸收与光波长radiationabsorption

3、andwavelength在电磁波谱的可见光区：金属和半导体的吸收系数很大（价电子处于未满带）电介质材料吸收系数小（价电子所处能带是填满的）在紫外吸收端：禁带宽度大的材料，紫外吸收端的波长较小在红外区：离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度Eg求得：λ=hc/EgEg为材料的禁带宽度2、光的反射(reflection)镜反射、漫反射折射n21=sini/sinrW`:反射光能量W:入射光能量m:反射系数镜反射：反射光线具有明确的方向性漫反射：反射光的方向各式各样3、光的透射(transmission)透射率：T

4、＝（1－R）2e－αl上式适用的条件是，材料的正面和背面要处于同一介质中。透射、反射、吸收这三部分光线的强度之和当然等于入射线强度，即：I0=IT+IR+IA,因此，透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸收率A(absorptivity)三者之和为1I＝I0e－αxα和R是材料的基本参数，对于给定的材料，α和R都与入射线的频率有关。5、金属材料的光学性质（1）各种入射辐射被吸收金属导带中已填充的能级上方有许多空的电子能态——频率分布范围很宽的各种入射辐射都可以激发电子到能量较高的未填充态从而被吸收。结果是光线射进

5、金属表明不深即被完全吸收，只有非常薄的金属膜才显得有些透明。（2）金属的反射是由吸收再反射综合造成的电子一旦被激发后，又会衰减到较低的能级，从而在金属表明发生光线的再反射。反射过程的效率与入射线的频率有关，金属在白色光线下所表现的颜色，就是来源于反射率的频率依赖性。银铜和金分别显示出不同的颜色，请看课本p386～387镍、铁、钨6、无机非金属材料的光学性质非金属是否透明取决于能带结构。非金属可能是澄清的，也可能带有颜色，这是选择吸收、选择反射的结果。其光学性质有如下几点：（1）对红外线有一定程度的吸收（因为红外光子频率与原子振动频率相近，发生谐振）（2）半

6、导体：吸收可见辐射，且不透明（因为可见光的频率已足以使电子从价带激发到导带）（3）绝缘体倾向于对可见辐射透明（因为能隙相当宽，以至于可见光不足以引起电子激发）（4）散射——在多相材料中，由于折射率在相界的变化，光线由多次内反射造成（5）本质透明的材料由于加工过程中留下孔洞也可不透明7、高分子材料的光学性质聚合物多数无色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的损失起源于材料内部折射指数不均匀性产生的光散射散射程度强烈地取决于折射指数的变化和不均匀的程度增加聚合物材料透明性的方法加速成核或由熔体急剧冷却——减少球晶大小；拉伸——球晶转变为取向微

7、丝，散射光线就不太有效了4-5-5发光luminescence发光：材料吸收外界能量后，其中部分能量以频率在可见光范围向外发射，这称为发光。荧光(fluorescence)：延迟发射10-8s磷光(phosphorescence)：延迟发射>10-8s含有杂质，产生掺杂能级价带与导带重叠没有能隙，发射光波长长于可见光，没有发光价带与导带间有能隙为Eg激光(laser)------材料发光性能的重要应用必要条件维持连续不断的受激辐射，粒子数反转：高能级的原子数大于低能级的原子数红宝石激光器中的Cr的能级最初平衡态时各能级的粒子数n1>n2>n3波长为5500

8、埃的黄绿光照射后铬原子吸收这一波长的光子，从能级1跃迁到能级3，但