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材料的光学性能
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光是一种电磁波。材料的光学性能是指材料对电磁波辐射、特别是对可见光的反应，主要是用材料对电磁波的吸收，反射和透射特性来衡量。如当一束强度为 的光入射到玻璃中时，在材料的表面会发生光的反射，另外光也会透过玻璃，常常透过的光的强度小于入射强度，这往往是由于玻璃会吸收一部分光。 另外，当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低，且传播方向发生变化，即发生了折射。用光在真空中传播速度与在材料中传播速度之比来表征材料的折射能力，称之为折射率，折射率永远大于1。 折射率还与入射光的频率有关，随频率的减小（或波长的增加）而减小，这种性质称为折射率的色散。利用这种性质可以将各种频率的光混合组成的白光通过三棱镜分解为单色光。 固体材料光学性能的本质涉及电磁波与材料中原子、离子或电子的相互作用，其中最重要的二点是电子极化和电子的能量转换。 由于电子极化影响介电常数，而光在介质中传播的速度 与介电常数ε 有关, , 所以电子极化对光学性能有很大影响, 式中μ为介质的导磁率。另外，反射率与反射界面二侧介质的折射率有关 . 光具有波动和微粒二重性，当考虑光与电子之间的能量转换时，把光当成粒子来看待，称为光子。光子是最早发现的构成物质的基本粒子之一。光子所具有的能量不是连续的，而是与其频率v 有关 。当电子与光子间发生能量转换时，或是吸收一个光子的能量，或是发射出一个光子，而不能只交换一部分光子的能量；对于电子来说，从光子处吸收的能量或给光子的能量也不是任意的，而是要刚好等于材料中电子可能存在的能级的能量差。正是由于它们彼此间能量交换的这种“苛刻”条件，所以不同的材料具有完全不同的光学性能。 当光子的能量给了电子，光被材料吸收；当受光激发的电子回落到低能级放出光子，光被材料反射。 各种材料的光学性质 1.金 属 在金属中,因为价带与导带是重叠的,它们之间没有禁带,所以不管入射光子的能量是多大(即不管什么频率的光)，电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去. 因此，对于各种光、金属都能吸收，所以金属是不透明的。按说，金属吸收了可见光的全部光子，金属应呈黑色。但实际上我们看到铝是银白色的，纯铜是紫红色的，金子是黄色的，等等。这是因为当金属中的电子吸收了光子的能量跃迁到导带中高能级时，它们处于不稳定状态，立刻又回落到能量较低的稳定态，同时发射出与入射光子相同波长的光子束，这就是反射光。大部分金属反射光的能力都很强，反射率在0.90-0.95之间。金属本身的颜色是由反射光的波长决定的。 2.非金属 非金属的光学性能比金属要复杂。首先分析非金属对光的吸收现象。其吸收机制有二种，一种是电子跃迁跨越禁带，还有一种是电子跃迁到禁带中的杂质能级. 非金属中有许多是绝缘体，在价带与导带间有大的能隙，如果电子不能从光子处获得足够的能量跨过禁带进入导带，就不会产生吸收，光子就全部穿透材料，材料就呈现出透明的特征。像玻璃、高纯度的结晶陶瓷和非晶高分子材料都是这种情况。 非金属材料中还有些是半导体。由能带理论得知半导体也存在禁带，但禁带宽度较绝缘体小，所以价带中电子容易被光子激发到导带中去，产生吸收现象。对于本征半导体，光子的能量应大于禁带宽度，这种吸收为本征吸收。对于掺杂半导体，只要光子的能量大于施主或受主能级，就会产生吸收。 许多非金属材料有美丽的颜色，如红宝石就是亮红色的，这颜色的产生与材料的吸收特性密切相关。红宝石化学组成是 Al2O3+(0.5-2%)Cr2O3 ，Cr2O3加入后，部分Al3+被Cr3+代替，这样就在透明的很宽的禁带中引入了杂质能级，使的吸收情况发生了变化, 表现出对兰光和黄光有特别强的吸收能力,因而只有红光可以透过，就呈现出亮红色。若掺杂用的是其他离子，由于它们所处的杂质能级不同，就可以呈现出不同的颜色，这种对某种波长的光吸收率很高，而对另外一些波长的光吸收率很低的现象称为选择吸收。可见，透明材料的选择吸收使其呈现不同的颜色。如果材料在可见光范围对各种波长的吸收程度相同，则称为均匀吸收，在这种情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰色变到黑色。 再来分析一些绝缘体的透光性，这与材料内部产生的散射有关。所谓散射，指的是光在传播中遇到不均匀结构时偏离原来的方向，主要是由反射、折射引起的。若光线射到一理想的平面上，则反射光线具有确定的方向，称之为镜反射；若光线是照射到了一个粗糙不平的表面，则在局部位置上入射角的实际大小并不一样，因而反射光的方向也不一致，形成了漫反射。 影响材料透光性的结构因素有如下三方面： ◇ 材料的宏观及显微缺陷 材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相不同，二相间的折射率相差越大，散射越严重，透光性越不好； ◇ 晶粒取向的影响 一般的材料均为多晶体,且各个晶粒的排列取向是随机的。另外，对于晶体来讲，沿不同的晶向，光学性质是不同的。因此，当沿着某个方向有一束光线照射时，在不同晶粒中产生的折射是不一样的，在晶界处还有内反射，这些都影响材料的透光性。 ◇ 气孔引起的散射损失 存在于晶粒之内的以及在晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成了第二相。其折射率 可视为1, 与基体材料的相差较大,所以相对折射率也较大,由此引起的反射损失,散射损失远较杂质、晶粒不同取向排列引起的损失为大。气孔的体积含量越大，散射损失也越大。 另外，材料的吸收性能也对透光性有影响，对于陶瓷等电介质材料，它们的吸收率在可见光范围内是比较低的，故对透光性影响较小，但在有的情况下，这个因素也要考虑。 我们都知道有一种变色眼镜。当在户外，阳光明媚时，它呈现暗棕色，可以遮挡耀眼的阳光；当进入室内，光线较暗时，它又变成近似无色透明的了。这种透光性的改变靠的是材料吸收光性能的变化。这种玻璃中含有银离子，在强光下，银离子吸收了被强光激发的电子，还原成了银原子，此时光子被吸收，透光性减弱；当光线减弱时，银原子又电离成银离子，并且不发生光子被吸收的现象，透明度又增加。 许多陶瓷、玉器表面有光泽，看起来赏心悦目，这光泽与镜反射和漫反射的相对含量密切相关。当镜反射光带的宽度窄但强度高时，可以获得高的表面光泽。这一方面与表面光洁度有关，光洁度越高，光泽越好；另外，也与材料特性有关，材料的折射率高光泽好。 附件中为演示文稿,希望对虫虫有用. |
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