材料研究方法课件3

1、2020/9/8,1/38,2020/9/8,2/38,Chapter 2 Light Microscope,第二章 光学显微分析,Reference: Encyclopedia of Materials Characterization. C.R Brundle, et al. Butterworth-Heinemann. 2. 王培铭、许乾慰。材料研究方法,2020/9/8,3/38,本章内容、重点和难点 晶体光学的历史发展，晶体光学理论基础，自然光和偏振光，光学显微分析方法，样品制备，新进展，应用； 重点是光学显微形式与材料显微结构的关系，光学显微分析在材料研究中的应用； 难点是从光学显

2、微照片解析出对应的材料结构。,第 2 章 光学显微分析,2020/9/8,4/38,第 2 章 光学显微分析,2.1 概述 光学显微分析的发展 15世纪中叶：放大镜（单式显微镜） 1590年荷兰 Hans and Zacharias Janssen： 复式显微镜 17世纪中叶R. Hooke： 第一台性能较好的显微镜 Christiaan Huygens：惠更斯目镜 19世纪德国 Ernst Abbe 阐明光学显微镜成像原理，光学显微镜分辨本领达0.2微米理论极限,2020/9/8,5/38,2020/9/8,6/38,透镜是一种将光线聚合或分散的设备，通常是由一片玻璃构成，但用于其他电磁辐射

3、的类似设备通常也称为透镜：例如，由石蜡制成的微波透镜，用玻璃、树脂或水晶等透明材料制成的放大镜、眼镜等，也都是透镜。,2020/9/8,7/38,2020/9/8,8/38,罗伯特虎克制造的显微镜（1665）,罗伯特虎克观察 到的细胞,1665,2020/9/8,9/38,列文虎克和他的显微镜（约1680）,2020/9/8,10/38,已知最古老的公开显微照片:蜜蜂，由Francesco Stelluti于1630发表,2020/9/8,11/38,列文虎克观察到的“小动物”,2020/9/8,12/38,光学显微镜分类,几何光学显微镜 生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视

4、野显微镜等。 物理光学显微镜 相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。 信息转换显微镜 荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。 特种光学显微镜 高温显微镜、近场光学显微镜等。,2020/9/8,13/38,光学显微镜,透射光显微镜,相位差显微镜,反射光显微镜,解剖显微镜,2020/9/8,14/38,2020/9/8,15/38,材料物相结构的显微分析 许多材料或生产材料所用的原料都是由各种各样的晶体组成的。 不同材料的晶相组成直接影响到它们的结构和性质； 对于各种材料及其原料的性能、质量的评价，除了考

5、虑其化学组成外，还必须考虑它的晶相组成及显微结构。 所谓显微结构就是指构成材料的晶相形貌、大小、分布以及它们之间的相互关系。,2020/9/8,16/38,材料物相结构的显微分析 利用光学显微分析技术进行物相分析就是研究材料和其原料的物相组成及显微结构， 并以此来研究形成这些物相结构的工艺条件和产品性能间的关系。,2020/9/8,17/38,2.2 晶体光学基础,2.2.1 光的物理性质 1. 光的波动性 光的波粒二象性 波动学说解释晶体光学 横波与纵波 电磁波谱 可见光： 3900-7700埃,纵波,横波,2020/9/8,18/38,电磁波谱,光学显微分析 使用波段： 可见光波段 390

6、770nm,2020/9/8,19/38,2. 自然光和偏振光 自然光：垂直于光的传播方向振动，在垂直于光的传播方向的平面内的任意方向振动。 偏振光：垂直于光的传播方向振动，且只在垂直于光的传播方向的平面内的某一方向振动。,2020/9/8,20/38,1. 光的折射 光的折射定律,2.2.2 光与固体物质的相互作用 一束光入射到固体物质的表面，会产生光的折射、反射和吸收等现象，其折射、反射和吸收性能和光的性能、入射方法及固体物质性质有关。,2020/9/8,21/38,2020/9/8,22/38,光的折射特点：,1）介质中光传播的速度愈大，则该介质的折射率愈小； Vi/Vr=Nr/Ni 2

7、）光在真空中的传播速度最大，n1 3）同一介质的折射率因所用光波波长而异（折射率色散） 对于同一介质，光波的波长与折射率成反比。 4）晶体的折射率色散能力 晶体的折射率色散能力，是指晶体在两种波长光波中测定的折射率的差值。 差值越大，色散能力越强，反之则越弱。,2020/9/8,23/38,2.光的吸收 一束光线照射到物质的表面，一部分光线被反射，另一部分光线透过（透明材料），还有一部分光线要被物质所吸收。 光的吸收主要是光的波动能转换为热能等其他形式的结果。,2020/9/8,24/38,J. H. Lambert 吸收指数定律,2020/9/8,25/38,3.光的反射 根据反射的基本定律

8、，以反射表面法线为基准的入射角和反射角是相等的，入射光线、反射光线和反射表面法线处于同一平面上。 在精抛光平表面上可获得单向反射（表面不平整度小于光波长），而在粗糙表面上则呈漫反射。,2020/9/8,26/38,3.光的反射 反射光的强度和波长取决于表面的本性和反射介质的光学性质。 通常具有不定域电子的导电体或半导体材料是不透明的，并且呈现很好的反射率。 而以离子或共价键特征为主的材料是透明的，但有时是有色的。 这是由于流动的电子会吸收任何波长的光，而键合电子只与个别波长的光相互作用。,2020/9/8,27/38,3.光的反射 物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射能力称为反射力。表示反

9、射力大小的数值称为反射率： (2.3) 式中：R为反射率，Ir为反射光的强度，Ii为入射光的强度。,2020/9/8,28/38,4. 光在晶体中的传播 晶体是具有格子构造的固体，拥有独特的对称性和各向异性。 光在不同晶体中传播时也表现出不同的特点。 自然光和偏振光在晶体中的传播也不尽相同。 根据光在晶体中不同的传播特点，可以把透明物质分为光性均质体和光性非均质体两大类。,2020/9/8,29/38,4. 光在晶体中的传播 光性均质体与非均质体 1. 光性均质体 (各向同性介质) 光波在均质体中传播时，其传播速度不因振动方向而发生改变。,2020/9/8,30/38,2. 光性非均质体 (各

10、向异性介质) 光波在非均质体中传播时，其传播速度随振动方向不同而发生变化。 一轴晶 和 二轴晶,2020/9/8,31/38,这种一束自然光穿过各向异性的晶体（如方解石晶体）时分成两束偏振光的现象称为双折射现象。,例如：白纸上涂一个黑点，将方解石放在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。,2020/9/8,32/38,光,光,双 折 射,纸面,方解石 晶体,当方解石晶体旋转时，产生双折射现象,2020/9/8,33/38,光,光,双 折 射,纸面,方解石 晶体,当方解石晶体旋转时，产生双折射现象,2020/9/8,34/38,光,光,双 折 射,纸面,方解石 晶体,当方解石晶体旋转时，产生双折射现象,2020/9/8,35/38,光,光,双 折 射,纸面,方解石 晶体,当方解石晶体旋转时，产生双折射现象,2020/9/8,36/38,光,光,双 折 射,纸面,方解石 晶体,当方解石晶体旋转时，产生双折射现象,2020/9/8,3