材料科学基础第二章

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电磁辐射（光）与物质的相互作用——取决于物质电磁性质的基本参数。电磁辐射在真空中的速度：c电磁波在真空中的速度；ε0真空介电导率；μ0真空磁导率电磁辐射在介质中的速度：v电磁波在真空中的速度；ε介质介电导率；μ介质磁导率爱因斯坦理论：电磁场（光场）的能量是不连续的，可以分成一份一份的最小单元其表达式为光子的动量

总结：光即可看作光波又可看作光子流光子是电磁场能量和动量量子化的粒子光作为波的属性可以用频率和波长来描述光子的属性则可以用能量和动量来表征6.626×10-34J.s

最小的能量单元－“光子”

电磁场是由许多光子组成二、光子的能量和动量三、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，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正比于在此处的光强I和薄层的厚度dx，即

dI=－а

Idx，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，用不着跃迁到导带即能发生碰按而发热。电介质材料（包括玻璃、陶瓷等)有良好的透过件(吸收系数很小)因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的，它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。但是在紫外区，电介质材料却出现了紫外吸收端。这是因为波长越短，光子能量越大。当光子能量达到禁带宽度时(紫外光区)，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数将骤然增大。此紫外吸收端相应的波长可根据材料的能隙宽度Eg求得：能隙大的材料，紫外吸收端的波长比较小。如果希望材料在电磁波谱的可见光区的透过范围大，就要求其紫外吸收端的波长较小，即Eg较大。如果Eg太小，光波甚至可能在可见光区也会被吸收而不透明。电介质材料在红外区的吸收峰是离子或有机分子的各类弹性振动、转动、摆动等与光子辐射发生谐振消耗能量所致。红外吸收光谱正是根据这一原理设计的。要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰处的波长尽可能大，则所选择的材料需有较低的热振频率。材料的光吸收与再发射机制金属具有光的反射性能，大多数金属的反射率在0.90~0.95。4、光的透射当光线垂直射向团体(或液体)表面时，入射光强度中有一定分数(R)被反射掉,设I0为入射线强度，则进入材料的光强度为(1一只)I0。进入材料的光线在穿过材料时与电子发生相互作用，从而被全部或部分吸收(这取决于材料)，光强度不断减弱。根据朗伯特定律，对于厚度为l的材料，入射到达材料底面的光强度为：金属和合金是以高R值为特征（接近于1）。而无机玻璃的典型R值仅为0.05。4.5.3材料的光学性质1、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；（2）金属的反射，是由吸收再反射综合造成的反射率具有频率依赖性对于红外辐射则透明银在整个可见光范围的反射率都很高，结果其颜色以白色为特征，并具有明亮的光泽。金对可见光范围短波区域的光强烈吸收，对红光和黄光完全反射，所以显示黄颜色。（1）对红外线有一定程度的吸收（2）吸收可见辐射，且不透明（半导体）（3）绝缘体倾向于对可见辐射透明Eg大（4）漫透射——由多次内反射造成（5）加工过程中留下孔洞而不透明1%陶瓷2、无机非金属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(refractionindex)不均匀性产生的光散射聚合物透明带色，选择性吸收结晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的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——球晶转变为取向微丝3、高分子材料的光学性质光泽：与镜反射和漫反射的相对含量密切相关。表面光泽与反射影像的清晰度和完整性，即与镜反射光带的宽度和它的强度有密切的关系。其因素主要由折射率和表面光洁度决定。提高表面光泽提高表面光洁度增加表面粗糙度减小表面光泽4.5.5、光泽颜色由于光吸收的选择性，导致物体吸收一定波长范围的光，而反射或透射其它波长范围的光，从而使物体呈现出不同的颜色。如：纯铜吸收可见光谱的蓝或紫端的光子，而反射较长波长的可见光，所以，纯铜显红色。透明材料的颜色某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中的特定波长的光子。光的颜色是未被吸收的光和重新发射的光混合光的颜色。4.5.6发光材料光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的，物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。白炽灯丝2000℃光与热相伴而行炉火纯青要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。1、发光暖光冷光不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态的过程，称为激发过程。发光就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程。能量来源：物理能、机械能、化学能、生物能等;相应地有：物理发光、机械发光、化学发光、生物发光等。2.自发发光与受迫发光自发发光：受