无机材料的光学性能.pptx

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1、光的基本性质光的现象光的微粒说光的波动说光的电磁说光的波粒二象性光的反射光的折射光的干涉光的衍射电磁波谱光谱?牛顿惠更斯麦克斯韦光电效应普朗克和爱因斯坦光的直线传播光的传播速度第1页/共107页1、波粒二象性微粒学说光是由光源飞出的粒子流光的折射和反射（牛顿）波动学说光可以看作是某种振动在介质中的传播波动性光的干涉和衍射（惠更斯）量子学说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）表征波动性质的物理量频率、波长 光子同时具有微粒性和波动性光的双重本质。E：光子的能量（：光子的能量（J,焦耳）焦耳）：光子的频率（：光子的频率（Hz,赫兹）赫兹）：光子的波长（：

2、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2 2、光的电磁性（1 1）光是一种电磁波，是由）光是一种电磁波，是由电磁场周期性振动的传播电磁场周期性振动的传播所形成的，在光波中电场所形成的，在光波中电场和磁场是交织在一起的；和磁场是交织在一起的；（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=3c=310108 8m/sm/s；（4

3、 4）色光是由频率决定的，）色光是由频率决定的，即：不同的频率对应不同即：不同的频率对应不同的颜色的光的颜色的光。麦克斯韦第3页/共107页可见光(visible light)能够引起人的视觉的电磁波。第4页/共107页3、光波是横波、光波是横波电磁波是矢量波 电磁波交变电磁状态的传播 对人眼或光学仪器起作用的是电场对人眼或光学仪器起作用的是电场E，只考虑电场，只考虑电场 作用，而忽略磁场。作用，而忽略磁场。电场强度矢量直接作为电场强度矢量直接作为“光矢量光矢量”。振动量与波速构成相互垂直的右手螺旋关系；第5页/共107页4、光的偏振性横波的特有性质横波的特有性质偏振性偏振性光波电矢量的振动限

4、定在某一个确定方向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）。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光波电矢量在垂直光的传播方向的平面内随时间变化的轨迹呈椭圆或圆间变化的轨迹呈椭圆或圆椭圆偏振光或圆椭圆偏振光或圆偏振光。偏振光。光波电矢量由各种振动方向的波复合而成。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垂直光的传播方向的平面内电矢量振动取向机会均等均等 自然光自然光第6页/共107页从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。从微观上看，光与固体的相互作用，实际上是光子与固体材料中的

5、原子、离子、电子之间的相互作用。光和固体的相互作用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第7页/共107页1 1、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；在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇在可见光范围内，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化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；相对位移；所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，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。同时光速减小，后者导

6、致折射。第8页/共107页第9页/共107页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；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：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，经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。

7、电磁波，即自发辐射。第10页/共107页电子能态转变电子能态转变原子吸收了光子的能量原子吸收了光子的能量E E2 2-E-E4 4 与电磁波的频率有关1）只有能量为 的光子才能被吸收；2）激发态停留很短时间，衰变回到基态，发出电磁波。3）衰变途径不同，发出电磁波的频率不同。第11页/共107页光学性能概述 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、吸收五光十色的色五光十色

8、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、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现或应用。料光学性能的体现或应用。第12页/共107页光学玻璃第13页/共107页光学性能概述 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

9、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、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现或应用。料光学性能的体现或应用。第14页/共107页美术陶瓷、艺术陶瓷第15页/共107页高温下的光导纤维光导纤维视频第16页/共107页透明

10、陶瓷第17页/共107页第一节光透过介质的现象第18页/共107页一、折 射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。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。折射率：如果光从介质1传入介质2，这两种材料的折射率关系如下：其中：i1和i2分别为入射角和折射角 n21为介质2相对于介质1的折射率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。光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；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1、麦克斯韦电磁理论 光在介质中的传播速度为：其中：为介电常数；为磁导率无机材料：1，1从本质上讲，材料的折射率反映了

11、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2、影响折射率的因素 1、离子半径：介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着离子半径的增大而增大。u用大离子得到高折射率的材料；第21页/共107页第22页/共107页第23页/共107页2、材料的组成和结构：材料的n主要由离子的堆积密度和极化率决定。（1）均质介质（各向同性）经验公式：Pi和Ki是第i组分的重量分数和折射系数，是密度。氧化物折射率的估算：Eg：禁带宽度。第24页/共107页

12、（2）非均质介质（各向异性）双折射：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，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射。O O 光e光第25页/共107页平行于入射面的光线的折射率平行于入射面的光线的折射率常光折射率常光折射率n0，始终为一常数，严格服从折射定律。始终为一常数，严格服从折射定律。垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的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，称为非常光折射率改变而变化，称为非常光折射率ne，不遵守折射定，不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。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

13、向入射时，只有n0存在，与光存在，与光轴方向垂直入射时，轴方向垂直入射时，ne达最大值，此值是材料的特达最大值，此值是材料的特性。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27页/共107页3、非晶态各向同性；玻璃的折射率和离子半径呈线性关系。4、内应力垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。5、同质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，即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率

14、小。第28页/共107页二、色 散折射率随着波长改变的变化率dn/d。图4-1 几种玻璃的色散 图4-2 几种晶体和玻璃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现象。第29页/共107页色散系数：nD：钠的D谱线（5893）为光源测得的折射率；nF：氢的F谱线（4861）为光源测得的折射率；nC：氢的C谱线（6563）为光源测得的折射率。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差；若选择不同的光学玻璃，组成复合镜头，可以消除色差，称为消色差镜头；光学材料要求色散系数高，折射率 n高。第30页/共107页三、反 射光通过透明介质分解面时的反射与透射反射系数：m反射

15、系数；n21介质2相对于介质1的相对折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。如:对波长为0.36m的光铝薄膜的反射率可以达到92.5%，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射率n21！第31页/共107页u透过系数为（1m）；u连续透过n块平板玻璃，透过系数为（1m）2n。u水晶玻璃：含铅量大，折射率高，光泽好；u光学玻璃：采用折射率与玻璃相近的胶粘接，避免反射引起的损失；或者涂1/4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。第32页/共107页知识拓展：光的全反射 当入射角大于当入射角大

16、于 c时，入射光全部在介质时，入射光全部在介质1中中反射，不会发生折射，光线能量全部在介质反射，不会发生折射，光线能量全部在介质1中。中。这种现象称为全反射。这种现象称为全反射。c 称为全反射的临界角。称为全反射的临界角。第33页/共107页根据折射定律：根据折射定律：Sin cn2/n1不同介质材料的临界角不同，玻璃不同介质材料的临界角不同，玻璃空气空气42 钻石钻石n=2.417,临界角很小，容易发生全临界角很小，容易发生全反射反射 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页光纤结构示意图光纤结构示意图纤芯：纤芯：5 5 75m75m掺杂了的掺杂了的S

17、iOSiO2 2，n n一定或随半径一定或随半径增加而减小。增加而减小。包层包层:总直径为总直径为100 100 200m,200m,折射率稍小于折射率稍小于纤芯的掺杂了的纤芯的掺杂了的SiOSiO2 2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。光的全反射光的全反射有效降低光在传播过程中的能量损耗有效降低光在传播过程中的能量损耗第35页/共107页上海东方明珠上海东方明珠发光二极管发光二极管产生多种颜产生多种颜色的光线，色的光线，通过光导纤通过光导纤维传导到东维传导到东方明珠球体方明

18、珠球体的表面。在的表面。在计算机控制计算机控制下，可产生下，可产生动态图案。动态图案。第36页/共107页四、吸收 光透过介质时，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。（朗伯特定律-固体介质的吸收定律）为吸收系数光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。材料越厚，光被吸收得越多，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。赖于光的强度，朗伯特定律不再成立。第37页/共107页电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的电子极化：只有

19、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；变得比较重要；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；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光而吸收光（禁带较宽的介电固体材料）；（禁带较宽的介电固体材料）；只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之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。间的能量差值相等时，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。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。光的吸收是材料

20、中的微观粒子与光相互作用的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！过程中所表现出的能量交换过程！材料对光的吸收机理：第38页/共107页可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：所以，所以，Eg1.8eV的半导体材料，是不透明的；的半导体材料，是不透明的；因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转转移而被吸收。移而被吸收。Eg=1.8 3.1的非金属材料，是带色透明的；的非金属材料，是带色透明的；因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转因为只有部分可见光通过激发价带电子向导

21、带转移移而被材料吸收。而被材料吸收。材料对可见光的吸收材料对可见光的吸收第39页/共107页光吸收与光波长的关系：金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化第40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，发生碰撞而消耗能量；无机介质材料价电子所处的能带是满带，不能吸收光子而自由运动，光子的能量不足以使之跃迁，吸收系数很小。2、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。3、红外光区：有一定的吸收离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量。第41页/共107页除

22、了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。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，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。而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，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，这种现象为现象为一般吸收一般吸收；但是对于波长范围为；但是对于波长范围为3.55.0m3.55.0m的红的红外

23、光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为象为选择吸收选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚。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。微，而对上述红外光有强烈的吸收。一般吸收和选择吸收一般吸收和选择吸收第42页/共107页选择吸收：同一物质对某种波长的吸收系数很大，对另一种波长的吸收很小的现象。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，颜色从灰变为黑色。选择吸收与均匀吸收 普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线与紫外

24、线都有强烈的吸收，是不透明的。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。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页物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收 如果我们把具有不同颜色的各种物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

25、颜色也看不到。可见物体放置在黑暗处，则什么颜色也看不到。可见物质呈现的颜色与光有着密切的关系，一种物质呈质呈现的颜色与光有着密切的关系，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现何种颜色，是与光的组成和物质本身的结构有关的。关的。第44页/共107页(一一)物质对光产生选择性吸收的原因物质对光产生选择性吸收的原因当当光通过透明物体时，光子是否被物质吸收。光通过透明物体时，光子是否被物质吸收。取决于：取决于：光子所具有的能量光子所具有的能量 物质的内部结构物质的内部结构由于不同物质的分子其结构和组成不同，它们所由于不同物质的分子其结构和组成不同，它们所具有的特征能级也不同，故能级差也

26、不同。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。第45页/共107页 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成红、橙、黄、绿散成红、橙、黄、绿等颜色的光，这些光具有不同的波长。等颜色的光，这些光具有不同的波长。所以不同颜色光，其波长不同，物质的颜色正是由于他们对不同波长的光具有选所以不同颜色光，其波长不同，物质的颜色正是由于他们对不同波长的光具有选择性吸收而产生的。择性吸收而产生的。当一束白光通过某一物质或溶液时，由于物质对光的选择性吸收，某些波长的光当一束白光通过某一物质

27、或溶液时，由于物质对光的选择性吸收，某些波长的光被吸收，另一些波长的光则不被吸收而透过溶液。被吸收，另一些波长的光则不被吸收而透过溶液。(二二)物质的颜色与光吸收的关系物质的颜色与光吸收的关系第46页/共107页光的互补色示意图光的互补色示意图(/nm)绿500580nm黄580600nm紫400450nm白光青490500nm橙600650nm红650750nm蓝450480nm青蓝480490nm第47页/共107页举例：举例：溶液的颜色由溶液的颜色由透过光的波长透过光的波长所决定所决定(1)如果物质把各种波长的光完全都吸收，则呈现黑色；如果物质把各种波长的光完全都吸收，则呈现黑色；(2)

28、如果完全反射，则呈现白色；如果完全反射，则呈现白色；(3)如果透过所有的光，则为无色透明溶液；如果透过所有的光，则为无色透明溶液；(4)如果对各种波长的光吸收程度差不多，则呈现灰色；如果对各种波长的光吸收程度差不多，则呈现灰色；(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它所所反反射射或或透透过过光的颜色来决定。光的颜色来决定。第48页/共107页例例 如：如：CuSO4溶液溶液吸收黄光吸收黄光透过蓝光透过蓝光白光白光人眼人眼CuSO4实验证明：CuSO4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

29、色也越深。第49页/共107页1.用不同波长用不同波长(400-720nm)的光，照射的光，照射某一吸光物质的溶液；某一吸光物质的溶液；2.测吸光度测吸光度(A)3.以以 A作图，得一曲线作图，得一曲线直观地表示出物质对光的吸收特征。直观地表示出物质对光的吸收特征。吸收曲线吸收曲线第50页/共107页结结 论论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。能力的分布情况。2.C、A，即光的吸收程度越大，即光的吸收程度越大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。即：同一物质，只有一个最大

30、吸收峰，即最大吸收波长是即：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，该峰对应的波长叫固定不变的，该峰对应的波长叫max。KMnO4溶液的溶液的max=525 nm。定量测定时，必须用定量测定时，必须用max的光照射。的光照射。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，max不不同。同。max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。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max决定。决定。第51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a与溶液的浓度C成正比

31、，即a=AC，其中A是一个与浓度无关的常量。这时可以写成 称为比尔定律比尔定律（Beer 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响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。吸收定律2 2 比尔定律第52页/共107页知识拓展：吸收光谱用发射连续光谱的白光源发光，经分光仪器分解出单色用发射连续光谱的白光源发光，经分光仪器分解出单色光束，使光束通过待测材料，可以测量波长与吸收系数光束，使光束通过待测材料

32、，可以测量波长与吸收系数的关系，得到波长吸收系数的谱图，称为的关系，得到波长吸收系数的谱图，称为吸收光谱吸收光谱。原子吸收光谱具有很高的灵敏度，所以近几十年来，在原子吸收光谱具有很高的灵敏度，所以近几十年来，在定量分析中原子吸收光谱得到了越来越广泛的应用。不定量分析中原子吸收光谱得到了越来越广泛的应用。不少新元素都是用这种方法发现的。少新元素都是用这种方法发现的。金刚石的吸收光谱金刚石的吸收光谱 石英的吸收光谱石英的吸收光谱第53页/共107页五、散射原因：光波遇到不均匀结构产生的次级波与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。其中：S为散射系数，与散射质点的大小

33、、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关。如果将吸收定律和散射定律结合起来，光强衰减为：定义：当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。散射定律：光强随传播距离的散射减弱仍符合指数衰减规律第54页/共107页质点尺寸对散射系数的影响d 时，随d增加，散射系数 S减小。d=，散射系数 S最大值。光的波长不同时，散射系数达到最大时的质点的直径也有变化。第55页/共107页d时，Fresnel定律：反射、折射引起的总散射起主导作用。其中：K为散射因素 V为散射

34、质点的体积含量 R为散射质点的平均半径 d 时，R越小，V越大，S越大，与无关。如粉笔灰、白云呈白色如粉笔灰、白云呈白色如粉笔灰、白云呈白色如粉笔灰、白云呈白色例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾、例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾、例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾、例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾、或灰尘的大气中或灰尘的大气中或灰尘的大气中或灰尘的大气中 的散射。的散射。的散射。的散射。第56页/共107页d，采用 计算，现在 ，所以 K0，亦即 S0。也就是说，散射损失也很小。这就是氧化铝陶瓷有可能制成透光率很高的灯管的原因。第65页/共107页例2：金红石 金红石晶体的n0=2.854，ne=

35、2.567,因而其反射系数m=2.810-3。如材料厚度3mm，平均晶粒直径3m，则剩余光能只剩下(1-m)1000=0.06了。此外，由于n21较大，因之K较大，S大，散射损失较大，故金红石瓷不透光。例3：MgO，Y2O3等立方晶系材料 没有双折射现象，本身透明度较高。如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率相差不大，可望得支透明度较好的透明陶瓷材料。但这是相当不容易做到的.例4：玻璃 玻璃内不存在晶界反射和散射这两种损失，多晶体陶瓷的透光率远不如同成分的玻璃大。第66页/共107页（3）气孔引起的散射损失 气孔含量 存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成了第二相。其折

36、射率n1可视为1，与基体材料之n2相差较大，所以相对折射率n21=n2也较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失为大。气孔的体积含量V越大，散射损失越大。例：一材料含气孔0.2%（体积），平均d=2m，试验所得散射因子K=24，则散射系数:如果此材料厚为3mm，I=I0e-1.53=0.011I0。剩余光能只为1左右，可见气孔对透光率影响之大。第67页/共107页气孔尺寸 一般陶瓷材料的气孔直径大约在1m，均大于可见光的波长(=0.390.79m)，所以计算散射损失时应采用公式（4.24），即S=K3V/4R。气孔尺寸小，散射损失较小。假如上例中只剩下平均d=

37、0.01m的微小气孔，情况就有根本的变化。此时，Al2O3陶瓷的平均d3(设为可见光的波长)，符合瑞利散射条件。此时，即使气孔体积含量高达0.63，陶瓷也是透光的。利用(4.26)式 如果陶瓷材料厚2mm，I=I0e-0。00322=0.994I0，散射损失不大，仍是透光性材料。第68页/共107页四提高材料透光性的措施 1提高原材料纯度 2掺加外加剂 1）掺外加剂的目的 目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。2）增加A12O3陶瓷透明性的常用外加剂（1）MgO（2）Y2O3，La2O3 3）注意事项 外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。3工艺措旋（1）排除气孔（2）使晶

38、粒定向排列第69页/共107页第三节界面反射与光泽第70页/共107页一、镜反射与漫反射1、镜反射：材料表面光洁度很高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性。v各类雕花玻璃，需要高折射，高反射，达到装饰效果；（可以通过高含铅量，获得高折射率）v宝石的高折射率使之具有强折射率，高反射性能；v玻璃纤维作为通讯的光导管，有赖于光束总的内反射；v光学显微镜等许多光学系统中，需要得到强折射和低反射相结合的玻璃产品，可以通过涂层来达到目的。第71页/共107页涂层玻璃1/4涂层玻璃在镜片上涂一层折射率中等、厚度为光波长的1/4的涂层，可以实现强折射与低反射的要求。01/43/4第72页/共107页2、漫

39、反射：光照到粗糙不平的材料表面，发生各个方向的反射。v产生原因：材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向分布在各个方向上，致使总的反射能量分散在各个方向上，形成漫反射。粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图第73页/共107页二、光泽：由折射率与表面光洁度决定。1、提高表面光泽a.采用铅基釉 高折射率 获得高反射b.在高温下使釉铺展 形成完整的光滑表面 提高光洁度 获得高镜反射2、降低表面光泽a.加入低折射率的玻璃相；b.增加表面粗糙度，从而增加漫反射。第74页/共107页第四节不透明性和半透明性第75页/共107页一、不透明性和半透明性镜面反射和漫反射釉或者搪瓷（不透明）毛玻璃或者瓷

40、体（半透明）第76页/共107页1.不透明性（高乳浊性）：光在达到具有不同光学特性的物质的底层之前被漫反射；2.半透明性：光应该在经过不同光学特性的物质的过程中，被散射，不要求最大的散射，但是要求内部散射光产生的漫透射要大，吸收要小。第77页/共107页二、乳浊剂的成分1.在熔制时，形成惰性产物，或者在冷却或再加热时从熔体中结晶出小颗粒；2.硅酸盐玻璃的折射率为1.491.65，乳浊剂折射率必须与此不同。三乳浊机理 入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层的厚度、釉的散射和吸收特性。对于无限厚的釉层，其反射率m等于釉层的总反射的分数。对于没有光吸收的釉层，m=l。吸收系数大的材料，其反射率

41、低。好的乳浊剂必须具有低的吸收系数，亦即在微观尺度上，具有良好的透射特性。m决定于吸收系数和散射系数之比。第78页/共107页三、常用乳浊剂1、氟化物：促使其他晶体在玻璃中形成，增加散射；2、含锌的釉：析出了锌铝尖晶石的晶粒。但是在玻璃相中大的溶解度使烧结范围变小，因此应用较少；3、TiO2：本身折射率很好，在搪瓷工业中，是一种遮盖能力很好的乳浊剂，但是在釉中，因为其在高温还原气氛中的着色作用，而限制了其应用；4、Sb2O5：在釉和玻璃中的溶解度很大，因此在搪瓷工业中应用较多；第79页/共107页5、CeO：是很好的乳浊剂，但是价格昂贵，难于工业化；6、ZnS：在高温下易于溶解在玻璃相中，在降

42、低温度的过程中，可以从玻璃中析出，因而应用于玻璃中；7、SnO2：在釉中应用十分广泛，但是在还原气氛中易被还原为SnO，而且价格昂贵，这些缺点限制了它的应用；8、锆化物：锆石英（ZrSO4），有很好的乳浊性，而且乳浊效果十分稳定，价格低廉，应用较为广泛。第80页/共107页四、改善乳浊剂性能的工艺1、乳浊剂工艺：生料釉：原料湿磨而成，熔体中的析晶物基本上为乳浊剂的残余颗粒，颗粒粗大；熔块釉：部分原料制成熔块，再配其它生料湿磨，乳浊剂的结晶颗粒全由熔体析出，尺寸细小而且均匀，控制工艺可以得到与光波长相当的乳浊剂。2、烧成制度的控制：在熔体中有晶核形成（与生料的湿磨）；探索最佳烧结温度和最佳烧结（

43、保温）时间的控制。第81页/共107页五半透明性 1乳白玻璃 乳白玻璃和半透明瓷器(包括半透明釉)的一个重要光学性质是半透明性。除了由玻璃内部散射所引起的漫反射以外，入射光中漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定作用。对于乳白玻璃来说，达到漫透射的方法是：具有明显的散射而吸收最小，这样就会有最大的漫透射。半透明性是一些实用陶瓷的主要的鉴定指标。第82页/共107页 一般瓷体由折射率接近1.5的玻璃、莫来石和石英构成。在致密的玻化瓷的显微组织中，细针状莫来石结晶出现在具有较大的石英晶体的玻璃基体之中。由于晶粒尺寸和折射率的差别，莫来石在陶瓷体内对于散射和降低半透明性起着主要的作用。提高半透明性的

44、主要方法是：增加玻璃含量，减少莫来石的量。提高长石对粘土的比例可实现此要求。把制品加热到足够高的温度,因而致密化过程得以充分进行，这样可得到半透明瓷。调整各个相的折射率使之有较好的匹配。第83页/共107页第五节无机材料的颜色第84页/共107页一、颜色的起因：白光完全被物质吸收：黑色；对所有的光吸收程度差不多（不存在选择性吸收）：灰色；选择性吸收：显示颜色。吸收光波长越短，颜色越浅；吸收光波长越长，颜色越深。由于在可见光谱中存在吸收带而产生颜色引起电子跃迁光的吸收颜色电子由基态到激发态的能量差等于可见光的能量，显示颜色。第85页/共107页二、电子跃迁形式1、电子内部跃迁 过渡金属、稀土金属

45、、未填满电子壳层离子。如：Cr3、Fe2、Co2、Ni2、Ca2 电子未被填满，当光照射时，电子吸收能量，由基态跃迁到激发态，呈现出不同的颜色。温度越高，颜色越深。第86页/共107页1）惰性气体阳离子 其电子层结构与周期表中邻近的惰性气体相似。这一类离子中的电子自旋总和等于零。量子力学表明，这类离子中电子状态比较稳定，因此需要较大的能量才能激发电子进上层轨道，可见光的能量不足以使其激发，这就需要吸收波长较短的量子来激发外层电子，因而造成了紫外区的选择性吸收，对可见光则无影响，因此往往是无色的。电子层结构电子层结构 惰性惰性气体气体 惰惰性气体阳离子性气体阳离子1s2He（氦）Li+，Be2+

46、，B3+，C4+1s22s22p6 Ne（氖）Na+,Mg2+,Al3+,Si4+1s22s22p63s23p6 Ar（氩）K+,Ca2+,Sc3+(铈),Ti4+1s22s22p63s23p63d104s24p6 Kr（氪）Rb+,Sr2+,Y3+(钇),Zr4+1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6 Xe（氙）Cr+,Ba2+,La3+第87页/共107页2）过渡金属离子 过渡元素的次外层有未成对的d电子，即具有dxs0p0或d10s0p0结构的离子，外层电子充满，次外层不饱和。其中x=1-5或6-9时，在3d亚层上都有未配对的电子，所以不稳定。电子跃迁所需

47、要的能量Eg较小，可见光谱范围内的能量足够，故显色。当x=5时，半充满，色弱；x=0，10，全空，或全充满时，无色。离离子子Ti3+，Ti4+，V3+，V5+，Cr3+，Mn2+，Mn3+，Fe2+，Fe3+，Co2+，Ni2+，Cu2+,Cu+3d电电子子 1 0 2 0 3 5 4 4 5 7 8 9 10颜颜色色紫紫 无无 蓝蓝 无无 绿绿 弱弱 紫紫 蓝蓝 弱弱 蓝蓝 紫紫 蓝蓝 无无第88页/共107页3）稀土元素（镧系元素）镧系元素的第三外层含未成对的f电子，即具有fxd0s0p0结构，在4f层有未充满（即不配对）的电子，所以也是着色离子。它们较不稳定，能量较高，需要较少的能量即可

48、激发，故能选择吸收可见光。离子离子Ce3+，Ce4+，Pr3+，Nd4+，Eu3+，Ga3+4f层电子层电子 1 0 2 3 7 7颜色颜色淡棕，淡棕，无，无，绿，绿，紫，紫，无，无，无无4）外层具有18或18+2电子的阳离子 此类离子极化率大，但从电子分布来看，每个轨道上也都有两个电子，所以相对较稳定，但不及惰性气体型离子。它们的特点是极化率大，变价，所以本身不着色。但其化合物在近紫外的光谱上有所吸收。这种离子易被还原，如Au，Ag，Cu。第89页/共107页2、电荷转移：电子由一个离子转移到另一个原子。晶体结构中相同的元素以不同的氧化状态存在时，如Fe2和Fe3、Mn2和Mn3、Ti3和T

49、i4 对于这些不同价态存在的元素，电子不是固定在某一个原子上的，这些电子很容易从一个原子迁移到另外一个原子上，当光照射时，发生电荷的转移。第90页/共107页3、禁带跃迁：（许多半导体出现的本征着色）本征吸收：晶体受到光照射时，电子吸收光子能量，从价带跃迁到导带。只有当h Eg时，才能发生跃迁，半导体显示一定的颜色。硅：灰黑色，具有金属光泽。是因为无选择性的吸收可见光，具有灰黑色。同时一部分光发生镜面反射，形成光泽。第91页/共107页4、晶体结构缺陷引起的电子跃迁（1）辐照破坏晶格，产生点缺陷，形成色心。使材料出现颜色。金刚石用电子轰击：蓝色；石英经中子轰击：棕色。F色心NaCl在Na汽中加

50、热，Na扩散到晶体的内部，以一种过剩的Na离子浓度存在，但同时并没有过剩的Cl离子存在，因此过剩的Na离子将伴随一个过剩的Cl离子空位，Na的一个价电子被吸引到空位上。形成了F色心，即捕获了电子的负离子中心。NaCl显黄棕色。第92页/共107页Ti4O2Ti4O2Ti4O2O2Ti4Ti4O2Ti4Ti4O2Ti4O2Ti4O2TiO2X缺陷结构示意图缺陷结构示意图 TiO2中存在氧空位，形成F色心，色心上的电子吸收一定波长的光，使氧化钛从黄色转变为蓝色，直至灰黑色。第93页/共107页（2）色心产生的原因 晶格中因为光的作用，产生点缺陷，为了在产生缺陷的区域保持电中性，过剩电子和过剩正电荷