无机材料的光学性能学习教案.pptx

会计学1无机材料无机材料(cilio)的光学性能的光学性能第一页，共107页。1、波粒二象性、波粒二象性微粒学说微粒学说光是由光源飞出的粒子流光是由光源飞出的粒子流光的折射和反光的折射和反射（牛顿）射（牛顿）波动学说波动学说光可以光可以(ky)看作是某种振动在介质中的传看作是某种振动在介质中的传播播波动性波动性光的干涉和衍射（惠更斯）光的干涉和衍射（惠更斯）量子学说量子学说光是由大量的一份一份的光子组成的一束光光是由大量的一份一份的光子组成的一束光子流，每一份光子是一个能量单元（爱因斯坦）子流，每一份光子是一个能量单元（爱因斯坦）表征波动性质的物理量表征波动性质的物理量频率、波长频率、波长 光子同时具有微粒性和波动性光子同时具有微粒性和波动性光的双重本质。光的双重本质。E：光子：光子(gungz)的能量（的能量（J,焦耳）焦耳）：光子：光子(gungz)的频率（的频率（Hz,赫兹）赫兹）：光子的波长（：光子的波长（cmcm）c c：光速（：光速（2.99792.9979 10101010 cm.s cm.s-1-1）h h：PlankPlank常数（常数（6.62566.6256 1010-34-34 J.s J.s 焦耳焦耳.秒秒）第2页/共107页第二页，共107页。2 2、光的电磁、光的电磁(dinc)(dinc)性性（1 1）光是一种电磁波，是由电）光是一种电磁波，是由电磁场周期性振动磁场周期性振动(zhndng)(zhndng)的传播所形成的传播所形成的，在光波中电场和磁场是的，在光波中电场和磁场是交织在一起的；交织在一起的；（2 2）光有波的一般性质；）光有波的一般性质；（3 3）光的真空中传播速度是）光的真空中传播速度是c=3108m/sc=3108m/s；（4 4）色光是由频率决定的，即：）色光是由频率决定的，即：不同的频率对应不同的颜色不同的频率对应不同的颜色的光。的光。麦克斯韦麦克斯韦(mi k s wi)第3页/共107页第三页，共107页。可见光可见光(visible light)能够引起能够引起(ynq)人的视觉的电磁波。人的视觉的电磁波。第4页/共107页第四页，共107页。3、光波、光波(gungb)是横是横波波n n电磁波是矢量波 n n电磁波交变(jio bin)电磁状态的传播 n n n n对人眼或光学仪器起作用的是电场E，只考虑电场n n 作用，而忽略磁场。n n 电场强度矢量直接作为“光矢量”。振动振动(zhndn(zhndng)g)量量与波速与波速构成相互构成相互垂直的右手螺旋关系；垂直的右手螺旋关系；第5页/共107页第五页，共107页。4、光的偏振、光的偏振(pin zhn)性性横波的特有性质偏振性光波电矢量的振动限定在某一个确定方向平面偏振光（线偏振光）。光波电矢量在垂直光的传播方向的平面内随时间变化(binhu)的轨迹呈椭圆或圆椭圆偏振光或圆偏振光。光波电矢量由各种振动方向的波复合而成。垂直光的传播方向的平面内电矢量振动取向机会均等自然光第6页/共107页第六页，共107页。从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。从微观上看，光与固体发生光的透过、吸收和反射。从微观上看，光与固体(gt)的相互作用，实际上是光子与固体的相互作用，实际上是光子与固体(gt)材料材料中的原子、离子、电子之间的相互作用。中的原子、离子、电子之间的相互作用。光和固体光和固体(gt)的相互作用的相互作用光与固体相互作用的本质有两种方式：光与固体相互作用的本质有两种方式：电子电子(dinz)极化极化电子电子(dinz)能态转变能态转变第7页/共107页第七页，共107页。1 1 1 1、电子极化、电子极化、电子极化、电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；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在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的在可见光范围内，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，即每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即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造成电子云与原子核的电荷中心发生相对造成电子云与原子核的电荷中心发生相对造成电子云与原子核的电荷中心发生相对(xingdu)(xingdu)(xingdu)(xingdu)位移；位移；位移；位移；所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同所以，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。时光速减小，后者导致折射。时光速减小，后者导致折射。时光速减小，后者导致折射。第8页/共107页第八页，共107页。第9页/共107页第九页，共107页。2、电子能态转变、电子能态转变(zhunbin)电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变(zhunbin)到另一种能态的过程；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，电子发生的能级的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化变化E与电磁波频率有关：与电磁波频率有关：E=h受激电子不可能无限长时间地保持，在激发状态，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。发射出电磁波，即自发辐射。第10页/共107页第十页，共107页。电子电子电子电子(dinz(dinz)能态转变能态转变能态转变能态转变原子吸收了光子原子吸收了光子(gungz)(gungz)的的能量能量E2-E4 E2-E4 与电磁波的频率有关与电磁波的频率有关1）只有能量为）只有能量为 的光子才的光子才能被吸收能被吸收(xshu)；2）激发态停留很短时间，）激发态停留很短时间，衰变回到基态，发出电磁波。衰变回到基态，发出电磁波。3）衰变途径不同，发出电）衰变途径不同，发出电磁波的频率不同。磁波的频率不同。第11页/共107页第十一页，共107页。光学性能光学性能(xngnng)概述概述 材料的光学性能是材料对外来光源所作出的材料的光学性能是材料对外来光源所作出的选择性和特异性反应，包括材料对光传播的影响选择性和特异性反应，包括材料对光传播的影响以及在光吸收以及在光吸收(xshu)(xshu)或光激发后的光发射。或光激发后的光发射。材料对可见光的反射、吸收材料对可见光的反射、吸收(xshu)(xshu)五光十色的色五光十色的色彩彩 （塑料、陶瓷、金属、晶体的各种颜色）（塑料、陶瓷、金属、晶体的各种颜色）光的折射、透射光的折射、透射各种光学透镜、光学仪器各种光学透镜、光学仪器 光的折射、透射、色散光的折射、透射、色散颜色、光泽、透明、半透明的颜色、光泽、透明、半透明的陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等，无不是材料光学性能的体陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等，无不是材料光学性能的体现或应用。现或应用。第12页/共107页第十二页，共107页。光学玻璃光学玻璃(gungxub l)第13页/共107页第十三页，共107页。光学光学(gungxu)性能概述性能概述 材料的光学性能是材料对外来光源所作出的材料的光学性能是材料对外来光源所作出的选择性和特异性反应，包括材料对光传播的影响选择性和特异性反应，包括材料对光传播的影响以及在光吸收或光激发后的光发射。以及在光吸收或光激发后的光发射。材料对可见光的反射、吸收材料对可见光的反射、吸收五光十色的色彩五光十色的色彩 （塑料、陶瓷、金属、晶体的各种（塑料、陶瓷、金属、晶体的各种(zhn)(zhn)颜颜色）色）光的折射、透射光的折射、透射各种各种(zhn)(zhn)光学透镜、光学透镜、光学仪器光学仪器 光的折射、透射、色散光的折射、透射、色散颜色、光泽、透明、半颜色、光泽、透明、半透明的陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等，无不是材料透明的陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等，无不是材料光学性能的体现或应用。光学性能的体现或应用。第14页/共107页第十四页，共107页。美术美术(mish)陶瓷、艺术陶瓷陶瓷、艺术陶瓷第15页/共107页第十五页，共107页。高温高温(gown)下的光导下的光导纤维纤维光导纤维光导纤维(un do xin wi)视频视频第16页/共107页第十六页，共107页。透明透明(tumng)陶瓷陶瓷第17页/共107页第十七页，共107页。第一节第一节光透过介质光透过介质(jizh)的现象的现象第18页/共107页第十八页，共107页。一、折一、折 射射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低(jingd)。折射本质上是由于光的速度的变化而引起。折射本质上是由于光的速度的变化而引起的光弯曲的结果。的光弯曲的结果。折射率：折射率：如果光从介质如果光从介质(jizh)1传入介质传入介质(jizh)2，这两种材料的折射率关系如下：，这两种材料的折射率关系如下：其中：其中：i1和和i2分别为入射角和折射角分别为入射角和折射角 n21为介质为介质(jizh)2相对于介质相对于介质(jizh)1的折射率的折射率 介质的折射率永远大于介质的折射率永远大于1材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；慢；光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快第19页/共107页第十九页，共107页。1、麦克斯韦、麦克斯韦(mi k s wi)电磁理论电磁理论 光在介质光在介质(jizh)中的传播速度为：中的传播速度为：其中其中(qzhng)：为介电常数；为介电常数；为磁导率为磁导率无机材料：无机材料：1，1从本质上讲，材料的折射率反映了材料的电磁结构（对非从本质上讲，材料的折射率反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。特性。所以所以,n,n总是大于总是大于1 1，进而，介质中的光速总是小于，进而，介质中的光速总是小于C C第20页/共107页第二十页，共107页。2、影响、影响(yngxing)折射率的因素折射率的因素 1、离子半径、离子半径(l z bn jn)：介电常数随着离子半径的增大介电常数随着离子半径的增大(zn d)而增大而增大(zn d)，因而折射率，因而折射率n随着离子半径的增大随着离子半径的增大(zn d)而增大而增大(zn d)。u用大离子得到高折射率的材料；用大离子得到高折射率的材料；第21页/共107页第二十一页，共107页。第22页/共107页第二十二页，共107页。第23页/共107页第二十三页，共107页。2、材料、材料(cilio)的组成和结构：的组成和结构：材料的材料的n主要由离子的堆积密度和极化主要由离子的堆积密度和极化(j hu)率决率决定。定。（1）均质介质）均质介质(jizh)（各（各向同性）向同性）经验公式：经验公式：Pi和和Ki是第是第i组分的重量分数和折射系数，组分的重量分数和折射系数，是密度。是密度。氧化物折射率的估算：氧化物折射率的估算：Eg：禁带宽度。：禁带宽度。第24页/共107页第二十四页，共107页。（2）非均质介质）非均质介质(jizh)（各向异性）（各向异性）双折射双折射(zhsh)：光进入非均质介质时，一般都要分为：光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射构成两条折射(zhsh)光线，这个现象称为双折射光线，这个现象称为双折射(zhsh)。O O 光光e光光第25页/共107页第二十五页，共107页。平行于入射面的光线的折射平行于入射面的光线的折射(zhsh)率率常光折常光折射射(zhsh)率率n0，始终为一常数，严格服从折射始终为一常数，严格服从折射(zhsh)定律。定律。垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的改垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的改变而变化，称为非常变而变化，称为非常(fichng)光折射率光折射率ne，不遵守，不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。折射定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入射时，只有当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向存在，与光轴方向垂直入射时，垂直入射时，ne达最大值，此值是材料达最大值，此值是材料(cilio)的特性。的特性。大量实验发现，各种晶体都存在着一个特殊的方向，大量实验发现，各种晶体都存在着一个特殊的方向，当光沿该方向传播时，不发生双折射，该方向称为当光沿该方向传播时，不发生双折射，该方向称为晶体的晶体的光轴光轴。第26页/共107页第二十六页，共107页。第27页/共107页第二十七页，共107页。3、非晶态、非晶态各向同性；各向同性；玻璃玻璃(b l)的折射率和离子半径呈线性关系。的折射率和离子半径呈线性关系。4、内应力、内应力垂直于受拉主应力方向垂直于受拉主应力方向(fngxing)的的n大，平行于受拉主应力方大，平行于受拉主应力方向向(fngxing)的的n小。小。5、同质、同质(tn zh)异构体异构体高温时晶型的折射率较低，低温时晶型的折射率较高，高温时晶型的折射率较低，低温时晶型的折射率较高，即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。第28页/共107页第二十八页，共107页。二、色二、色 散散折射率随着折射率随着(su zhe)波长改变的变化率波长改变的变化率dn/d。图图4-1 几种几种(j zhn)玻璃的色散玻璃的色散 图图4-2 几种晶体几种晶体(jngt)和玻璃和玻璃的色散的色散 光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为色散光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为色散现象。现象。第29页/共107页第二十九页，共107页。色散色散(ssn)系数：系数：nD：钠的：钠的D谱线（谱线（5893）为光源）为光源(gungyun)测得的折射率；测得的折射率；nF：氢的：氢的F谱线（谱线（4861）为光源）为光源(gungyun)测得的折射率；测得的折射率；nC：氢的：氢的C谱线（谱线（6563）为光源）为光源(gungyun)测得的折射率。测得的折射率。色散是光学玻璃的重要参数；色散是光学玻璃的重要参数；色散造成单片透镜成像不清晰色散造成单片透镜成像不清晰色差；色差；若选择不同的光学玻璃，组成复合镜头，可以若选择不同的光学玻璃，组成复合镜头，可以(ky)消消除色差，称为消色差镜头；除色差，称为消色差镜头；光学材料要求色散系数高光学材料要求色散系数高，折射率，折射率 n高。高。第30页/共107页第三十页，共107页。三、反三、反 射射光通过透明光通过透明(tumng)介质分解面时的反射与透射介质分解面时的反射与透射反射系数：反射系数：m反射系数；反射系数；n21介质介质(jizh)2相对相对于介质于介质(jizh)1的相对折的相对折射率射率同一材料在不同介质中有不同反射率同一材料在不同介质中有不同反射率,不同材料对同一波长的光波的反射系数也有很大差异不同材料对同一波长的光波的反射系数也有很大差异(chy)。如。如:对波长为对波长为0.36m的光铝薄膜的反射率可以达到的光铝薄膜的反射率可以达到92.5%，铜薄膜仅有，铜薄膜仅有36.3%。在垂直入射的情况下，光在界面上的反射多少取决于相对折在垂直入射的情况下，光在界面上的反射多少取决于相对折射率射率n21！第31页/共107页第三十一页，共107页。u透过系数透过系数(xsh)为（为（1m）；）；u连续透过连续透过n块平板玻璃，透过系数块平板玻璃，透过系数(xsh)为（为（1m）2n。u水晶玻璃：含铅量大，折射率高，光泽好；水晶玻璃：含铅量大，折射率高，光泽好；u光学玻璃：采用光学玻璃：采用(ciyng)折射率与玻璃相近的胶粘接，避免折射率与玻璃相近的胶粘接，避免反射引起的损失；或者涂反射引起的损失；或者涂1/4波长的薄膜；波长的薄膜；u陶瓷表面的漫反射造成了光大量的损失，从而不透明。陶瓷表面的漫反射造成了光大量的损失，从而不透明。第32页/共107页第三十二页，共107页。知识知识(zh shi)拓展：光拓展：光的全反射的全反射 当入射角大于当入射角大于 c时，入射光时，入射光全部在介质全部在介质1中反射，不会发生中反射，不会发生折射，光线折射，光线(gungxin)能量全部能量全部在介质在介质1中。这种现象称为全反中。这种现象称为全反射。射。c 称为全反射的临界角。称为全反射的临界角。第33页/共107页第三十三页，共107页。根据折射定律：根据折射定律：根据折射定律：根据折射定律：Sin c Sin cn2/n1n2/n1不同不同不同不同(b tn(b tn)介质材料的临界角不同介质材料的临界角不同介质材料的临界角不同介质材料的临界角不同(b tn(b tn)，玻，玻，玻，玻璃璃璃璃空气空气空气空气42 42 钻石钻石钻石钻石n=2.417,n=2.417,临界角很小，容易发生全反射临界角很小，容易发生全反射临界角很小，容易发生全反射临界角很小，容易发生全反射 光纤导光原理：全反射光纤导光原理：全反射光纤导光原理：全反射光纤导光原理：全反射光的全反射光的全反射第34页/共107页第三十四页，共107页。光纤结构光纤结构光纤结构光纤结构(jigu)(jigu)(jigu)(jigu)示示示示意图意图意图意图n n纤芯：纤芯：5 575m75m掺杂了的掺杂了的SiO2SiO2，n n一定或随半径增一定或随半径增加而减小。加而减小。n n包层包层:总直径为总直径为100 100 200m,200m,折射率稍小于纤折射率稍小于纤芯的掺杂了的芯的掺杂了的SiO2SiO2。n n涂敷层：硅铜或涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离丙烯酸盐，隔离杂光。杂光。n n护套：尼龙或有护套：尼龙或有机材料机材料(cilio)(cilio)，增加强度，保，增加强度，保护光纤。护光纤。光的全反射光的全反射有效降低光在传播过程中有效降低光在传播过程中的能量的能量(nngling)(nngling)损耗损耗第35页/共107页第三十五页，共107页。上海东上海东方明珠方明珠发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管产生多种颜产生多种颜产生多种颜产生多种颜色的光线，色的光线，色的光线，色的光线，通过光导纤通过光导纤通过光导纤通过光导纤维传导到东维传导到东维传导到东维传导到东方明珠方明珠方明珠方明珠(mngzh(mngzh(mngzh(mngzh)球体球体球体球体的表面。在的表面。在的表面。在的表面。在计算机控制计算机控制计算机控制计算机控制下，可产生下，可产生下，可产生下，可产生动态图案。动态图案。动态图案。动态图案。第36页/共107页第三十六页，共107页。四、吸收四、吸收(xshu)光透过介质光透过介质(jizh)时，会引起电子跃迁或者原子的振动，从而时，会引起电子跃迁或者原子的振动，从而引起能量的损失，这种现象叫做光的吸收。引起能量的损失，这种现象叫做光的吸收。（朗伯特定律（朗伯特定律-固体介质固体介质(jizh)的的吸收定律）吸收定律）为吸收系数为吸收系数光强度随厚度的变化符合指数衰减规光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。律。材料越厚，光被吸收得越多，材料越厚，光被吸收得越多，透过后光强度越小。透过后光强度越小。光和物质的非线性作用，吸收系数则和其他许多系数（如折射率）一样都依赖于光的强度，朗伯特定律不再成立。光和物质的非线性作用，吸收系数则和其他许多系数（如折射率）一样都依赖于光的强度，朗伯特定律不再成立。第37页/共107页第三十七页，共107页。n n电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；n n电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激吸收光子而越过禁带；n n电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光（禁带较宽的介电固体光（禁带较宽的介电固体光（禁带较宽的介电固体光（禁带较宽的介电固体(gt(gt)材料）；材料）；材料）；材料）；n n只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。的电子从较低能态跃迁到高能态。的电子从较低能态跃迁到高能态。的电子从较低能态跃迁到高能态。n n 光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中所表现出的能量交换过程！中所表现出的能量交换过程！中所表现出的能量交换过程！中所表现出的能量交换过程！材料材料(cilio)对光的吸收机理：对光的吸收机理：第38页/共107页第三十八页，共107页。可见光中波长最短的是紫光，可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：波长最长的是红光：所以，所以，Eg1.8eV的半导体材料，的半导体材料，是不透明的；是不透明的；因为所有可见光都可以通过激因为所有可见光都可以通过激发发(jf)价带电子向导带转价带电子向导带转移而被吸收。移而被吸收。Eg=1.83.1的非金属材料，是的非金属材料，是带色透明的；带色透明的；因为只有部分可见光通过激发因为只有部分可见光通过激发(jf)价带电子向导带转移价带电子向导带转移而被材料吸收。而被材料吸收。材料材料(cilio)(cilio)对可见对可见光的吸收光的吸收第39页/共107页第三十九页，共107页。光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系(gun x)：金属、半导体和电介质的吸收率随波长金属、半导体和电介质的吸收率随波长(bchng)的变化的变化第40页/共107页第四十页，共107页。1、可见光区：金属、半导体吸收系数很大，无机介质材、可见光区：金属、半导体吸收系数很大，无机介质材料吸收系数较小，光可以透过；料吸收系数较小，光可以透过；因为金属价电子处于未满带，吸收光子后呈激发态，发因为金属价电子处于未满带，吸收光子后呈激发态，发生生(fshng)碰撞而消耗能量；碰撞而消耗能量；无机介质材料价电子所处的能带是满带，不能吸收光子无机介质材料价电子所处的能带是满带，不能吸收光子而自由运动，光子的能量不足以使之跃迁，吸收系数很而自由运动，光子的能量不足以使之跃迁，吸收系数很小。小。2、紫外光区：无机电介质材料有很强的吸收；、紫外光区：无机电介质材料有很强的吸收；波长短、能量大，电子吸收光子能量跃迁，吸收系数大。波长短、能量大，电子吸收光子能量跃迁，吸收系数大。3、红外光区：有一定的吸收、红外光区：有一定的吸收离子的弹性振动与光子辐射发生离子的弹性振动与光子辐射发生(fshng)谐振消耗能量。谐振消耗能量。第41页/共107页第四十一页，共107页。除了真空，没有除了真空，没有除了真空，没有除了真空，没有(mi yu)(mi yu)(mi yu)(mi yu)一种物质对所有波长的电磁波一种物质对所有波长的电磁波一种物质对所有波长的电磁波一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。都是绝对透明的。都是绝对透明的。都是绝对透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为为一般吸收；但是对于波长范围为为一般吸收；但是对于波长范围为为一般吸收；但是对于波长范围为3.55.0m3.55.0m3.55.0m3.55.0m的红外光却的红外光却的红外光却的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。述红外光有强烈的吸收。述红外光有强烈的吸收。述红外光有强烈的吸收。一般吸收一般吸收(xshu)(xshu)和选择吸收和选择吸收(xshu)(xshu)第42页/共107页第四十二页，共107页。选择吸收：同一物质对某种波长(bchng)的吸收系数很大，对另一种波长(bchng)的吸收很小的现象。光的选择性吸收使透明材料呈现不同颜色。均匀吸收：在可见光范围内对各种波长的波的吸收程度相同，称为均匀吸收。随着吸收程度的增加(zngji)，颜色从灰变为黑色。选择吸收选择吸收(xshu)与均匀吸收与均匀吸收(xshu)普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线与紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线与紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。任何物质都有这两种形式的吸收，只是出现的波长范围不同而已。任何物质都有这两种形式的吸收，只是出现的波长范围不同而已。第43页/共107页第四十三页，共107页。物质物质物质物质(wzh)(wzh)对光的选择性吸收对光的选择性吸收对光的选择性吸收对光的选择性吸收 如果我们把具有不同颜色的各种物体放置在黑如果我们把具有不同颜色的各种物体放置在黑如果我们把具有不同颜色的各种物体放置在黑如果我们把具有不同颜色的各种物体放置在黑暗处，则什么颜色也看不到。可见物质呈现的颜色与光有暗处，则什么颜色也看不到。可见物质呈现的颜色与光有暗处，则什么颜色也看不到。可见物质呈现的颜色与光有暗处，则什么颜色也看不到。可见物质呈现的颜色与光有着密切着密切着密切着密切(mqi)(mqi)(mqi)(mqi)的关系，一种物质呈现何种颜色，是与的关系，一种物质呈现何种颜色，是与的关系，一种物质呈现何种颜色，是与的关系，一种物质呈现何种颜色，是与光的组成和物质本身的结构有关的。光的组成和物质本身的结构有关的。光的组成和物质本身的结构有关的。光的组成和物质本身的结构有关的。第44页/共107页第四十四页，共107页。(一一一一)物质对光物质对光物质对光物质对光(du gung)(du gung)(du gung)(du gung)产生选择性吸收产生选择性吸收产生选择性吸收产生选择性吸收的原因的原因的原因的原因n n当光通过透明物体时，光子是否当光通过透明物体时，光子是否被物质吸收被物质吸收(xshu)。n n取决于：取决于：光子所具有的能量光子所具有的能量n n 物质的内部结构物质的内部结构由于不同物质的分子由于不同物质的分子由于不同物质的分子由于不同物质的分子(fnz)(fnz)其结构和组成不同，其结构和组成不同，其结构和组成不同，其结构和组成不同，它们所具有的特征能级也不同，故能级差也不同。它们所具有的特征能级也不同，故能级差也不同。它们所具有的特征能级也不同，故能级差也不同。它们所具有的特征能级也不同，故能级差也不同。物质对光的吸收具有选择性。物质对光的吸收具有选择性。物质对光的吸收具有选择性。物质对光的吸收具有选择性。第45页/共107页第四十五页，共107页。n n 在在可可见见光光区区，不不同同波波长长的的光光具具有有不不同同的的颜颜色色。当当一一束束阳阳光光(白白光光)通通过过棱棱镜镜后后就就色色散散(ssn)成成红红、橙橙、黄黄、绿绿等等颜颜色色的的光光，这这些些光光具具有不同的波长。有不同的波长。n n 所所以以不不同同颜颜色色光光，其其波波长长不不同同，物物质质的的颜颜色色正正是是由由于于他他们们对对不不同同波波长的光具有选择性吸收而产生的。长的光具有选择性吸收而产生的。n n 当当一一束束白白光光通通过过某某一一物物质质或或溶溶液液时时，由由于于物物质质对对光光的的选选择择性性吸吸收收，某某些些波波长长的的光光被被吸吸收收，另另一一些些波波长长的光则不被吸收而透过溶液。的光则不被吸收而透过溶液。(二二)物质物质(wzh)(wzh)的颜色的颜色与光吸收的关系与光吸收的关系第46页/共107页第四十六页，共107页。光的互补色示意图光的互补色示意图光的互补色示意图光的互补色示意图(/nm)/nm)绿绿500580nm黄黄580600nm紫紫400450nm白光白光青青490500nm橙橙600650nm红红650750nm蓝蓝450480nm青蓝青蓝480490nm第47页/共107页第四十七页，共107页。举例：溶液举例：溶液(rngy)的颜色由透过光的的颜色由透过光的波长所决定波长所决定n n(1)如如果果物物质质把把各各种种波波长长的的光光完完全全都都吸收，则呈现黑色；吸收，则呈现黑色；n n(2)如果完全反射，则呈现白色；如果完全反射，则呈现白色；n n(3)如如果果透透过过所所有有的的光光，则则为为无无色色(w s)透明溶液；透明溶液；n n(4)如如果果对对各各种种波波长长的的光光吸吸收收程程度度差差不多，则呈现灰色；不多，则呈现灰色；n n(5)如如果果物物质质选选择择性性地地吸吸收收某某些些波波长长的的光光，那那么么，这这种种物物质质的的颜颜色色就就由由它所反射或透过光的颜色来决定。它所反射或透过光的颜色来决定。第48页/共107页第四十八页，共107页。例例 如：如：CuSO4CuSO4溶液溶液(rngy)(rngy)吸收黄光吸收黄光透过蓝光透过蓝光透过蓝光透过蓝光白光白光人眼人眼CuSOCuSO4 4实验实验(shyn)证明：证明：CuSO4溶液浓度越高，对黄色溶液浓度越高，对黄色光的吸收越多，表现为透过的蓝色越强，溶液的蓝色光的吸收越多，表现为透过的蓝色越强，溶液的蓝色也越深。也越深。第49页/共107页第四十九页，共107页。n n1.用不同波长用不同波长(400-720nm)的光，的光，照射某一吸光物照射某一吸光物质的溶液；质的溶液；n n2.测吸光度测吸光度(A)n n3.以以A作图，作图，得一曲线得一曲线n n直观地表示出物直观地表示出物质对光质对光(du gung)的吸收特的吸收特征。征。吸收吸收(xshu)曲线曲线第50页/共107页第五十页，共107页。结结结结 论论论论n n1.1.某物质的吸收光谱表明了该物质对不同波长的光的吸收能某物质的吸收光谱表明了该物质对不同波长的光的吸收能某物质的吸收光谱表明了该物质对不同波长的光的吸收能某物质的吸收光谱表明了该物质对不同波长的光的吸收能力的分布情况。力的分布情况。力的分布情况。力的分布情况。n n2.C2.C、AA，即光的吸收程度越大，即光的吸收程度越大，即光的吸收程度越大，即光的吸收程度越大n n3.3.最大吸收处只有一个，称为最大吸收波长。最大吸收处只有一个，称为最大吸收波长。最大吸收处只有一个，称为最大吸收波长。最大吸收处只有一个，称为最大吸收波长。n n即：同一物质，只有一个最大吸收峰，即最大吸收波长是固即：同一物质，只有一个最大吸收峰，即最大吸收波长是固即：同一物质，只有一个最大吸收峰，即最大吸收波长是固即：同一物质，只有一个最大吸收峰，即最大吸收波长是固定不变的，该峰对应定不变的，该峰对应定不变的，该峰对应定不变的，该峰对应(duyng)(duyng)的波长叫的波长叫的波长叫的波长叫maxmax。n nKMnO4KMnO4溶液的溶液的溶液的溶液的max=525 nmmax=525 nm。n n定量测定时，必须用定量测定时，必须用定量测定时，必须用定量测定时，必须用maxmax的光照射。的光照射。的光照射。的光照射。n n不同物质，其内部结构不同，则吸收曲线不同，不同物质，其内部结构不同，则吸收曲线不同，不同物质，其内部结构不同，则吸收曲线不同，不同物质，其内部结构不同，则吸收曲线不同，maxmax不同。不同。不同。不同。n nmaxmax只与物质的种类有关，而与浓度无关。只与物质的种类有关，而与浓度无关。只与物质的种类有关，而与浓度无关。只与物质的种类有关，而与浓度无关。n n 任何可见光区内、溶液的颜色主要是由任何可见光区内、溶液的颜色主要是由任何可见光区内、溶液的颜色主要是由任何可见光区内、溶液的颜色主要是由maxmax决定。决定。决定。决定。第51页/共107页第五十一页，共107页。实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数aa与溶液的浓度与溶液的浓度C C成正比，即成正比，即a=ACa=AC，其中，其中A A是一个与浓度无关的是一个与浓度无关的常量。这时可以写成常量。这时可以写成 称为称为(chn(chn wi)wi)比尔定律（比尔定律（Beer lawBeer law）。）。根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原理。原理。比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立。比的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立。事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。吸收吸收(xshu)(xshu)定律定律2 2 比尔定律比尔定律第52页/共107页第五十二页，共107页。知识知识(zh shi)拓展：吸收拓展：吸收光谱光谱用发