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4-5 材料的光学性能 (optical properties) 4-5-1 电磁辐射及其与原子的相互作用 Interactions of electromagnetic radiation and atoms 1、光波是指波长在特定范围内的电磁辐射。因此， 光和物质的相互作用 —— 取决于物质 电磁性质 的基本参数 , 即 电导率、介电常数和磁导率。 2、 光子能量 energy E of a photon E＝ hc／ λ＝ hν h为普朗克常数； ν为光的频率； c为光速； λ为波长 可以认为辐射的强度 I就是单位时间射到单位面积上的光子数目 4、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 3、电磁辐射与物质的相互作用是由 电子跃迁和极化效应 实现的 只有能量 hν ＝ ⊿ E的光子可以被吸收 4-5-2 吸收、反射和透射 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、 光的吸收 ( photon absorption) （ 1）光吸收的一般规律 朗伯特定律 I＝ I0e－ αx 空气 : ≈10-5cm-1 玻璃 : ＝ 10-2cm-1 金属 : 则达几万到几十万 ---吸收系数， cm-1 取决于材料的性质和光的波长。 越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。 Section 19.7 （ 2） 光吸收与光波长 radiation absorption and wave length 在电磁波谱的 可见光区 ： 金属和半导体 的吸收系数很大（价电子处于未满带） 电介质 材料吸收系数小（价电子所处能带是填满的） 在 紫外 吸收端： 禁带宽度 大的材料，紫外吸收端的波长较小 在 红外区 ： 离子 的 弹性振动与光子辐射 发生 谐振 消耗能量所致 紫外吸收端相应的波长可 根据材料的禁带宽度 Eg求得： λ = hc/Eg Eg为材料的禁带宽度 2、 光的反射(reflection) 镜 反射、 漫 反射 折射 n21=sini/sinr mnnWW 2212111W`: 反射光能量 W: 入射光能量 m :反射系数 镜反射： 反射光线具有明确的方向性 漫反射： 反射光的方向各式各样 3、 光的透射 (transmission) 透射率 ： T＝（ 1－ R） 2 e－ αl 上式适用的条件是，材料的正面和背面要处于同一介质中。 透射、反射、吸收这三部分光线的强度之和当然等于入射线强度，即： I0 = IT + IR + IA, 因此， 透射率 T (transmissivity)、 反射率 R (reflectivity)、 吸收率 A (absorptivity) 三者之和为 1 I＝ I0e－ αx α和 R是材料的基本参数，对于给定的材料，α和 R都与入射线的频率有关。 5、 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 。 结果是光线射进金属表明不深即被完全吸收 ， 只有非常薄的金属膜才显得有些透明 。 （ 2）金属的 反射 是由 吸收再反射 综合造成的 电子一旦被激发后，又会衰减到较低的能级，从而在金属表明发生光线的再反射。 反射过程的效率与入射线的频率有关，金属在白色光线下所表现的颜色，就是来源于反射率的频率依赖性。 银 铜和金 分别显示出不同的颜色， 请看课本 p386～ 387 镍、铁、钨 6、 无机非金属 材料的光学性质 非金属是否透明取决于能带结构。非金属可能是澄清的，也可能带有颜色，这是选择吸收、选择反射的结果。其光学性质有如下几点： （ 1）对 红外 线有一定程度的 吸收 （因为红外光子频率与原子振动频率相近，发生谐振） （ 2） 半导体： 吸收可见辐射 ，且不透明（因为可见光的频率已足以使电子从价带激发到导带） （ 3） 绝缘体 倾向于对可见辐射透明（因为能隙相当宽，以至于可见光不足以引起电子激发） （ 4）散射 —— 在多相材料中，由于折射率在相界的变化，光线由多次内反射造成 （ 5）本质透明的材料由于加工过程中留下 孔洞 也可不透明 7、 高分子 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 不均匀性 产生的 光散射 散射程度强烈地取决于折射指数的变化和不均匀的程度 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，散射光线就不太有效了
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