无机材料的光学性能

1、第第5章章无机材料的光学性能无机材料的光学性能 光的基本性质光的基本性质 光通过介质的现象光通过介质的现象 无机材料的透光性无机材料的透光性 界面反射和光泽界面反射和光泽 不透明性和半透明性不透明性和半透明性 无机材料的颜色无机材料的颜色问题的提出问题的提出： 真空中的热导率？真空中的热导率？ 真空中的电导率？真空中的电导率？ 真空中的磁场强度？真空中的磁场强度？ 真空中的光速？真空中的光速？ 问题的思考方向问题的思考方向: : 传播介质传播介质 光的基本性质光的基本性质光的现象光的现象光的微粒说光的微粒说光的波动说光的波动说光的电磁说光的电磁说光的波粒二象性光的波粒二象性光的反射光的反射光的

2、折射光的折射光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射电磁波谱电磁波谱光谱光谱?牛顿牛顿惠更斯惠更斯麦克斯韦麦克斯韦光电效应光电效应普朗克和普朗克和爱因斯坦爱因斯坦光的直线传播光的直线传播光的传播速度光的传播速度 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光的折射和反射反射（牛顿）（牛顿） 波动学说波动学说光可以看作是某种振动在介质中的传播光可以看作是某种振动在介质中的传播波动性波动性光的干涉和衍射光的干涉和衍射（惠更斯）（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

3、单元光子流，每一份光子是一个能量单元（爱因斯坦）（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（：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）hcEh2 2、光的电磁性、光的电磁性

4、（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 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。麦克斯韦麦克斯韦可见光可见光 (visible light) 能够引起人的视觉的电磁波。能够引起人的视觉的电磁波。 3、光波是横波、光波是横波电磁波是矢量波

5、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 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”。EHu振动量振动量H,E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；u4、光的偏振性、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

6、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，光与固体的相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离的相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用。子、电子之间的相互作用。光和固体的相互作用光和固体

7、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： 电子极化电子极化 电子能态转变电子能态转变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到在可见光范围内，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，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相对位即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；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

8、致折射。2、电子能态转变、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。电磁波，即自发辐射。

9、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 EhEEE24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 的光子的光子才能被吸收；才能被吸收；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，发出电磁衰变回到基态，发出电磁波。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。 E光学性能概述光学性能概述 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

10、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。 光学玻璃光学玻璃光学性能概述光学性能概述 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

11、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。 美术陶瓷、艺术

12、陶瓷美术陶瓷、艺术陶瓷高温下的光导纤维高温下的光导纤维光导纤维视频光导纤维视频透明陶瓷透明陶瓷第一节第一节光透过介质的现象光透过介质的现象一、折一、折 射射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。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。本质上是由于光的速度的变化而引起的光弯曲的结果。材料材料真空vcvvn折射率：折射率：如果光从介质如果光从介质1传入介质传入介质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：21211221sinsinvvnnnii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

13、为介质为介质2相对于介质相对于介质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，光的传播速度快光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快1、麦克斯韦电磁理论、麦克斯韦电磁理论 光在介质中的传播速度为：光在介质中的传播速度为：cv 其中：其中：为介电常数；为介电常数；为磁导率为磁导率n无机材料：无机材料： 1， 1n从本质上讲，材料的折射率反映了材料的电磁结构从本质

14、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（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。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 C2、影响折射率的因素、影响折射率的因素 1、离子半径：、离子半径：n介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着随着离子半径的增大而增大。离子半径的增大而增大。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；2、材料的组成和结构：、材料的组成和结构：材料的材料的n主要由主要由离

15、子的堆积密度和极化率决定。离子的堆积密度和极化率决定。（1）均质介质（各向同性）均质介质（各向同性）经验公式：经验公式：iiiKPn1Pi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：gEn5 .112Eg：禁带宽度。：禁带宽度。（2）非均质介质（各向异性）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。折射光线，这个现象

16、称为双折射。O O 光光ioe1n2ne光光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

17、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。3、非晶态、非晶态各向同性；各向同性；玻璃的折射率和离子半径呈线性关系。玻璃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的垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的大，平行于受拉主应力方向的n小。小。5、同质异构体、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，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

18、构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。 二、色二、色 散散折射率随着波长改变的变化率折射率随着波长改变的变化率dn/d。图图4-1 几种玻璃的色散几种玻璃的色散 图图4-2 几种晶体和玻璃的色散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。色散现象。色散系数：色散系数：CFDnnn1nD：钠的：钠的D谱线（谱线（5893 ）为光源测得的折射率；）为光源测得的折射率；nF：氢的：氢的F谱线（谱线（4861 ）为光源测得的折射率；）为光源测得的折射率；nC：氢的：氢的C谱线（谱线（6563 ）为光源测得的折射率。

19、）为光源测得的折射率。 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，可以消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；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。三、反三、反 射射光通过透明介质分解面时的反射与透射光通过透明介质分解面时的反射与透射反射系数：反射系数：22122111nmnm反射系数；反射系数；n21介质介质2相对于介相对于介质质1的相对折射率的相对折射率同一材料在不同介质中有不同同一材料在不

20、同介质中有不同反射率反射率, 不同材料对同一波长不同材料对同一波长的光波的反射系数也有很大差的光波的反射系数也有很大差异。如异。如:对波长为对波长为0.36m的光的光铝薄膜的反射率可以达到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！u透过系数为（透过系数为（1m）；）；u连续透过连续透过n块平板玻璃，透过系数为（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；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

21、相近的胶粘接，避免反光学玻璃：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。知识拓展：光的全反射知识拓展：光的全反射 当入射角大于当入射角大于 cc时，入射光全部在介质时，入射光全部在介质1 1中反射，不会发生折射，光线能量全部在介质中反射，不会发生折射，光线能量全部在介质1 1中。中。这种现象称为全反射。这种现象称为全反射。c c 称为全反射的临界角。称为全反射的临界角。根据折射定律：根据折射定律： Sin Sin c cn n2 2

22、/ / n n1 1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 42 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 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SiOSiO2 2，n n一定或随半径增加而减小。一定或随半径增加而减小。包层包层: : 总直径为总直径为100 100 200m, 200m,折射率稍小于纤芯的掺杂了的折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiOSiO2 2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，

23、隔离杂光。离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。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。四、吸收四、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。引起能量的损失，这种现象叫做光的吸收。

24、xeII0（朗伯特定律（朗伯特定律-固体介质的吸收定律）固体介质的吸收定律）为吸收系数为吸收系数光强度随厚度的变化符合指数光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。材料越厚，光被吸衰减规律。材料越厚，光被吸收得越多，透过后光强度越小。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。（如折射率）一样都依赖于光的强度，朗伯特定律不再成立。电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒电子极化：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数处在同一个数量

25、级时，由此引起的吸收才变得比较重要；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而电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光吸收光（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间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，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。材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。 光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过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

26、量交换过程！程中所表现出的能量交换过程！材料对光的吸收机理：材料对光的吸收机理：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，Eg1.8eVEg1.8eV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转因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。移而被吸收。Eg=1.8Eg=1.8 3.13.1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移因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。而被材料吸收。eVhCeVhC8

27、 . 1E m,0.7E1 . 3E m,0.4Emaxmingminminmaxgmax材料对可见光的吸收材料对可见光的吸收光吸收与光波长的关系：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金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化1、可见光区：金属、半导体吸收系数很大，无机介质、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；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；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，不能吸收光子无机介质材料价电

28、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。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；、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谐振消耗能量。离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量。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。的。任何一种物质，它对某些波长范围内的

29、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。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，这种现象为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的红外光却是的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸选择吸收收。换言之，石英对可见光

30、和紫外线的吸收甚微，而对上述。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。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。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，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。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选择吸收与均

31、匀吸收 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。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。 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体放如果我们把具有

32、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，一种物质呈现何种颜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关的。色，是与光的组成和物质本身的结构有关的。( (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AAhcE 1221EEEE）激激发发态态（）价价电电子子从从基基态态（跃跃迁迁 在可见光区，

33、不同波长的光具有不同的颜色。当在可见光区，不同波长的光具有不同的颜色。当一束阳光一束阳光( (白光白光) )通过棱镜后就色散成红、橙、黄、绿通过棱镜后就色散成红、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。由于他们对不同波长的光具有选择性吸收而产生的。 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，某些波长的光被吸收，另一些波长的光光的选择性吸收，某些波长的光被吸收，另一些波长

34、的光则不被吸收而透过溶液。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光的互补色示意图光的互补色示意图( /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)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)(2)如果完全反射，则呈现白色；如果完全反射，则呈现白色；(3)(3)如果透过所有的光

35、，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)(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)(5)如果物质选择性地吸收某些波长的光，那么，这种物如果物质选择性地吸收某些波长的光，那么，这种物质的颜色就由它所反射或透过光的颜色来决定。质的颜色就由它所反射或透过光的颜色来决定。 例例 如：如：CuSO4溶液溶液白光白光人眼人眼实验证明：实验证明： CuSO4溶液浓度越高，对黄色光的吸收溶液浓度越高，对黄色光的吸收越多，表现为透过的蓝色越强，溶液的蓝色也越深。越多，表现为透过的蓝色越强，溶液的蓝色也越深。1 1. . 用不同波

36、长用不同波长(400-720nm)(400-720nm)的光，照射某一吸光物质的溶的光，照射某一吸光物质的溶液；液；2. 2. 测吸光度测吸光度(A)(A)3. 3. 以以 AA作图，得一曲线作图，得一曲线直观地表示出物质对光的吸直观地表示出物质对光的吸收特征。收特征。吸收曲线吸收曲线结结 论论1.1.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力的分布情况。力的分布情况。2.C2.C、A A，即光的吸收程度越大，即光的吸收程度越大3.3.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

37、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，该峰对应的波长叫定不变的，该峰对应的波长叫maxmax。 KMnOKMnO4 4溶液的溶液的maxmax=525 nm=525 nm。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。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。maxmax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maxmax决定。决定。实验表明，当光被透明溶剂中

38、溶解的物质吸收时，吸收系数a与溶液的浓度C成正比，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。ACeII0吸收定律吸收定律2 2 比尔定律比尔定律知识拓展：吸收光谱知识拓展：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

39、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，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五、散射五、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，光波遇到不均匀结构产生的

40、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。与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。sxeII0其中：其中：S为散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质为散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关。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：如果将吸收定律和散射定律结合起来，光强衰减为： xSeII0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。但当光束通过不均匀的透明介

41、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，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。这种现象称为光的散射。散射定律：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光强随传播距离的散射减弱仍符合指数衰减规律质点尺寸对散射系数的影响质点尺寸对散射系数的影响d 时，随时，随d增加，散射系增加，散射系数数 S减小。减小。d=，散射系数散射系数 S最大值。最大值。光的波长不同时，散射系光的波长不同时，散射系数达到最大时的质点的直数达到最大时的质点的直径也有变化。径也有变化。d时，时，Fresnel定律：反射、折射引起的总散射起

42、主导作定律：反射、折射引起的总散射起主导作用。用。RKVS43其中：其中：K为散射因素为散射因素 V为散射质点的体积含量为散射质点的体积含量 R为散射质点的平均半径为散射质点的平均半径 d 时，时，R越小，越小，V越大，越大，S越大，与越大，与无关。无关。d ，采用，采用 计算，现在计算，现在 ，所，所以以 K0 ，亦即，亦即 S0 。也就是说，散射损失也很小。这就是氧化。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。铝陶瓷有可能制成透光率很高的灯管的原因。例例2：金红石：金红石 金红石晶体的金红石晶体的n0=2.854，ne=2.567,因而其反射系数因而其反射

43、系数m=2.810-3。如材料厚度。如材料厚度3mm，平均晶粒直径，平均晶粒直径3m，则剩余光，则剩余光能只剩下能只剩下(1-m)1000=0.06了。此外，由于了。此外，由于n21较大，因之较大，因之K较大，较大，S大，散射损失较大，故金红石瓷不透光。大，散射损失较大，故金红石瓷不透光。 例例3：MgO，Y2O3等立方晶系材料等立方晶系材料 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陶瓷材料。

44、但这是相当不容易做到的.例例4：玻璃：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。光率远不如同成分的玻璃大。（3）气孔引起的散射损失）气孔引起的散射损失 气孔含量气孔含量 存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，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。其折射率从光学上讲构成了第二相。其折射率n1可视为可视为1，与基，与基体材料之体材料之n2相差较大，所以相对折射率相差较大，所以相对折射率n21= n2也较大。也较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒由此

45、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。排列等因素引起的损失为大。 气孔的体积含量气孔的体积含量V越大，散射损失越大。越大，散射损失越大。 例：一材料含气孔例：一材料含气孔0.2%（体积），平均（体积），平均d=2m，试验所，试验所得散射因子得散射因子K=24，则散射系数，则散射系数 :)(5 . 1002. 04002. 032431mmRVKS 如果此材料厚为如果此材料厚为3mm，I=I0e-1.53 =0.011I0。剩余光能只。剩余光能只为为1左右，可见气孔对透光率影响之大左右，可见气孔对透光率影响之大 。气孔尺寸气孔尺寸 一般陶瓷材料的气孔直径大约在一般

46、陶瓷材料的气孔直径大约在1m，均大于可见光的，均大于可见光的波长波长(=0.390.79m)，所以计算散射损失时应采用公式，所以计算散射损失时应采用公式（4.24），即），即S=K3V/4R。 气孔尺寸小，散射损失较小。气孔尺寸小，散射损失较小。 假如上例中只剩下平均假如上例中只剩下平均d=0.01m的微小气孔，情况就的微小气孔，情况就有根本的变化。有根本的变化。 此时，此时，Al2O3陶瓷的平均陶瓷的平均d3(设为可见光的波长设为可见光的波长)，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。利用陶瓷也是透光的。利用(4.26

47、)式式 如果陶瓷材料厚如果陶瓷材料厚2mm，I=I0e-0。00322 =0.994I0，散射损失，散射损失不大，仍是透光性材料。不大，仍是透光性材料。四提高材料透光性的措施四提高材料透光性的措施 1提高原材料纯度提高原材料纯度 2掺加外加剂掺加外加剂 1）掺外加剂的目的）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目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。的闭孔。 2）增加）增加A12O3陶瓷透明性的常用外加剂陶瓷透明性的常用外加剂 （1）MgO （2）Y2O3，La2O3 3）注意事项）注意事项 外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。外加剂本身也是杂质，掺

48、多了也会影响透光性。 3工艺措旋工艺措旋 （1）排除气孔）排除气孔 （2）使晶粒定向排列）使晶粒定向排列第三节第三节界面反射与光泽界面反射与光泽一、镜反射与漫反射一、镜反射与漫反射1、镜反射：、镜反射：材料表面光洁度很高的情况下的反射，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。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）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；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

49、导管，有赖于光束总的内反玻璃纤维作为通讯的光导管，有赖于光束总的内反射；射；v光学显微镜等许多光学系统中，需要得到强折射和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。低反射相结合的玻璃产品，可以通过涂层来达到目的。涂层玻璃1/4涂层玻璃涂层玻璃在镜片上涂一层折射率中等、在镜片上涂一层折射率中等、厚度为光波长的厚度为光波长的1/4的涂层，的涂层，可以实现强折射与低反射的可以实现强折射与低反射的要求。要求。01/43/42、漫反射：、漫反射：光照到粗糙不平的材料表面，发生各个方向光照到粗糙不平的材料表面，发生各个方向的反射的反射。v产生原因：产生原因

50、：材料表面粗糙，在局部地方的入射角参材料表面粗糙，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。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、漫反射能量图粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图二、光泽：二、光泽： 由折射率与表面光洁度决定。由折射率与表面光洁度决定。1、提高表面光泽、提高表面光泽a. 采用铅基釉采用铅基釉 高折射率高折射率 获得高反射获得高反射b. 在高温下使釉铺展在高温下使釉铺展 形成完整的光滑表面形成完整的光滑表面 提高光洁度提高光洁度 获得高镜反射获得高镜反射2、

51、降低表面光泽、降低表面光泽加入低折射率的玻璃相；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。增加表面粗糙度，从而增加漫反射。第四节第四节不透明性和半透明性不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性镜面反射和漫反射镜面反射和漫反射釉或者搪瓷（不透明）釉或者搪瓷（不透明）毛玻璃或者瓷体（半透明）毛玻璃或者瓷体（半透明）不透明性（高乳浊性）：不透明性（高乳浊性）：光在达到具有不同光学特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；的物质的底层之前被漫反射；半透明性：半透明性：光应该在经过不同光学特性的物质的过程光应该在经过不同光学特性的物质的过程中，被散射，

52、不要求最大的散射，但是要求内部散射中，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，吸收要小光产生的漫透射要大，吸收要小。二、乳浊剂的成分二、乳浊剂的成分在熔制时，形成惰性产物，或者在冷却或再加热时从在熔制时，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；熔体中结晶出小颗粒；硅酸盐玻璃的折射率为硅酸盐玻璃的折射率为1.491.65，乳浊剂折射率必须，乳浊剂折射率必须与此不同。与此不同。三三乳浊机理乳浊机理 入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层的厚度、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。釉的散射和吸收特性。 对于无限厚的釉层，

53、其反射率对于无限厚的釉层，其反射率m等于釉层的总反射的分数。等于釉层的总反射的分数。 对于没有光吸收的釉层，对于没有光吸收的釉层，m=l。 吸收系数大的材料，其反射率低。吸收系数大的材料，其反射率低。 好的乳浊剂必须具有低的吸收系数，亦即在微观尺度上，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。具有良好的透射特性。m决定于吸收系数和散射系数之比决定于吸收系数和散射系数之比。三、常用乳浊剂三、常用乳浊剂1、氟化物：、氟化物：促使其他晶体在玻璃中形成，增加散射；促使其他晶体在玻璃中形成，增加散射；2、含锌的釉：、含锌的釉：析出了锌铝尖晶石的晶粒。但是在玻璃相析出了锌铝尖晶

54、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；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；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，因此在搪瓷工业在釉和玻璃中的溶解度很大，因此在搪瓷工业中应用较多；中应用较多；5、CeO：是很好的乳浊剂，但是价格昂贵，难于工业化；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

55、溶解在玻璃相中，在降低温度的过在高温下易于溶解在玻璃相中，在降低温度的过程中，可以从玻璃中析出，因而应用于玻璃中；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在釉中应用十分广泛，但是在还原气氛中易被还原为还原为SnO，而且价格昂贵，这些缺点限制了它的应用；，而且价格昂贵，这些缺点限制了它的应用；8、锆化物：、锆化物：锆石英（锆石英（ZrSO4），），有很好的乳浊性，而且乳有很好的乳浊性，而且乳浊效果十分稳定，价格低廉，应用较为广泛。浊效果十分稳定，价格低廉，应用较为广泛。四、改善乳浊剂性能的工艺四、改善乳浊剂性能的工艺1、乳浊剂工艺：、乳浊剂

56、工艺： 生料釉：原料湿磨而成，熔体中的析晶物基本上为乳浊生料釉：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；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。艺可以得到与光波长相当的乳浊剂。2、烧成制度的控制：、烧成制度的控制： 在熔体中有晶核形成（与生料的湿磨）；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（保温）时间的控制。探索最佳烧结温度和最佳烧结

57、（保温）时间的控制。五五半透明性半透明性 1乳白玻璃乳白玻璃 乳白玻璃和半透明瓷器乳白玻璃和半透明瓷器(包括半透明釉包括半透明釉)的一个重要光学性质的一个重要光学性质是半透明性。是半透明性。 除了由玻璃内部散射所引起的漫反射以外，入射光中除了由玻璃内部散射所引起的漫反射以外，入射光中漫透漫透射的分数射的分数对于材料的半透明性起着决定作用。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。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。半透明性是

58、一些实用陶瓷的主要的鉴定指标。 一般瓷体由折射率接近一般瓷体由折射率接近1.5的的玻璃、莫来石和石英玻璃、莫来石和石英构成。在构成。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，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。的作用。 提高半透明性的主要方法提高半透明性的主要方法是：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增加玻璃含量，减少莫来石的量。

59、提高长石对粘土的比例可实现此要求。实现此要求。 把制品加热到足够高的温度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，因而致密化过程得以充分进行，这样可得到半透明瓷。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调整各个相的折射率使之有较好的匹配。第五节第五节无机材料的颜色无机材料的颜色一、颜色的起因：一、颜色的起因：白光完全被物质吸收：黑色；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）：对所有的光吸收程度差不多（不存在选择性吸收）：灰色；灰色；选择性吸收：显示颜色。选择性吸收：显示颜色。吸收光波长越短，颜色越浅；吸收光波长越短，颜色越浅；吸收光波

60、长越长，颜色越深。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由于在可见光谱中存在吸收带而产生颜色引起电子跃迁引起电子跃迁光的吸收光的吸收颜色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。色。二、电子跃迁形式二、电子跃迁形式1、电子内部跃迁、电子内部跃迁 过渡金属、稀土金属、未填满电子壳层离子。过渡金属、稀土金属、未填满电子壳层离子。如：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。迁到激发态