光通过介质的现象(材料物理性能)

材料物理性能材料与化学化工学院ChengduUniversityofTechnology是光通过介质时产生的光学现象，包括折射、反射、色散和介质对光吸收、散射、透过的一般规律。材料的光学性能对材料透光性机理的理解。重点难点利用透光性能：制造玻璃、透镜、棱镜、滤光镜、激光器、光导纤维等器件。利用材料的颜色、光泽、半透明度等产生的各式各样表面效果用于制造建筑瓷砖(面砖)、餐具、艺术瓷、搪瓷、卫生瓷等。利用材料的折射率和色散用于制造光学玻璃等透光材料。光的折射、散射、反射和吸收，以及光泽、乳浊等。这一章里介绍哪几种光学性能呢？这些光学性能在生产和生活中有哪些应用？解释产生这些光学现象的理论是什么？当外层电子与原子核等值异号的电荷交替变化时，即形成一个交变的电偶极子，电偶极矩在它周围产生交变电场，交变电场又产生交变磁场，交变磁场再产生交变电场，如此不断继续下去，于是，在电偶极子周围空间便产生由近及远的电磁波动，因此，交变电偶极子向空间发射电磁波。1)经典电子模型经典电子模型：研究光和物质相互作用的微观过程。2)光和物质相互作用的经典的观点光和物质相互作用的过程可以看作是组成物质的原子或分子体系在入射光波电场的作用下，正负电荷发生相反方向的位移，并跟随光波的频率作受迫振动，产生感生电偶极矩，进而产生电磁波辐射的过程。3)交变电偶极子向空间发射电磁波n=v真空/v材料=c/v材料介质材料可以看作许多线性谐振子的集合，在光波场的作用下，极化的原子或分子辐射的次波与入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规律。一.折射1．折射率的定义1）定义光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低而产生的。当光从真空进入较致密的材料时,其速度是降低的。折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。5.3光的折射、反射、吸收和散射

2．材料间的相对折射率如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i1、折射角i2与两种材料的折射率n1和n2现有下述关系：v1及v2分别表示光在材料l及2中的传播速度n21为材料2相对于材料l的相对折射率介质的折射率通常由实验测定，有多种测量方法。对固体介质，常用最小偏向角法或自准直法；液体介质常用临界角法（阿贝折射仪）；气体介质则用精密度更高的干涉法（瑞利干涉仪）。该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁性材料，r1.由于在无机材料这样的电介质中，μ=1，ε≠l，∴(1)构成材料元素的离子半径1)折射率n与极化率的关系材料的极化和磁化作用，“拖住”了电磁波的步伐，使电磁波的传播速度变慢。电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的相对介电常数r和磁化特性的相对磁导率r及真空中的光速c有如下的关系：3．影响折射率的因素麦克斯韦电磁理论介质的折射率随介质的介电常数ε的增大而增大。ε与介质的极化现象有关。当离子半径增大时，其介电常数ε增大，因而折射率n也随之增大。1)均质介质对于非晶态和立方晶体材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为均匀介质。2)非均匀介质光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。双折射：当一束光通过一个介质时，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，这种现象称为双折射。(2)材料的结构、晶型和非晶态①常光折射率n0:两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折射率n0

。特性：不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。②非常光折射率ne:与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率ne

。特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。双折射的两束光束是怎么形成的？有什么特点？利用晶体材料的双折射性质可以制成特殊的光学元件。例如棱镜、晶体波片、偏光干涉仪、偏光显微镜、滤波器等。双折射的应用：具有各向异性结构的。方解石晶体，亦称冰洲石晶体，即CaCO3，碳酸钙的六角晶系，是一种典型的双折射晶体。石英（水晶）、红宝石、冰等也是双折射晶体。云母、蓝宝石、橄榄石、硫黄等是另一类双折射晶体。能够产生双折射的晶体有哪些？(3)外界因素对折射率的影响材料在机械应力、超声波、电场等的作用下，折射率会发生改变，如有内应力存在的透明材料，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。这些效应分别称为光弹性效应、声光效应、电光效应等。(4)同质异构体一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低，因此高温晶型的折射率较低，低温晶型原子的密堆积程度高，因此其折射率较高。

①石英晶体常温下的石英晶体，n=1.55，数值最大；高温时的鳞石英，n=1.47；方石英，n=l.49。②石英玻璃常温下的石英玻璃，n=1.46，数值最小。至于普通钠钙硅酸盐玻璃，n=1.51，比石英的折射率小。发生折射的本质是材料的电磁结构在光波电磁场作用下的极化性质或介电性质。因为介质的极化，拖住了电磁波的传播，才使光传播速度变得比真空慢。4．折射率与光速材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢折射率较大者，光的传播速度较慢，成为光密介质。折射率较小者，光的传播速度较快，称为光疏介质。材料对光表现出的折射现象的本质材料的折射率随波长的变化率称为色散率

二．色散材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，称为折射率的色散。色散=dn/dλ

复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现(a)几种玻璃的色散(b)几种晶体的色散(1)色散曲线色散曲线如图所示，色散值可以直接由图确定。(2)色散系数：nF：是指用氢光谱中的F线（λF=486.1nm，蓝色）为光源测出的折射率。nC：是指用氢光谱中的C线（λC=656.3nm，红色）为光源测出的折射率。nD：是指用钠光谱中的D线（λC=589.3nm）为光源测出的折射率。色散的表示方法色散系数：相对色散用波动性解释:光射到界面,引起第二种介质电偶极子振荡,发出子波,折射部分向介质2深处传播,遵守折射定律,剩余部分反射(也由子波),假如介质2是相当厚的金属薄膜,折射很快衰减,几乎没有折射，大部分反射三．反射m(%)+A(%)+T(%)=100%光投射到材料表面时，一般产生反射、透过和吸收：用粒子性解释可认为是反弹.1.反射率与折射率m称为反射系数。根据能量守恒定律（光在界面上的现象）

W=W′+W″(1－m)称为透射系数。2．透射系数4．界面的反射损失如果介质l为空气，可以认为，n1=1，则n21=n2；如果n1和n2相差很大，那么界面反射损失就严重；这意味着在光学系统中当折射率增大时，反射损失增大。

如果n1=n2，则m=0；因此在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。（2）光线通过x块2块玻璃板的透射设一块折射率n=1.5的玻璃，光反射损失为m=0.04，透过部分为1－m=0.96。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为(1－m)2=0.922。

如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为(1－m)2x。（1）反射损失与折射反射率和折射率是由两种介质的折射率决定的。光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率n21。5.全反射根据折射定律求临界角为：sinθc=n2/n1普通玻璃对空气的临界角为42°，水对空气的临界角为48.5°。当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质，即n2<n1时，此时折射角大于入射角。在入射角达到某一角度θc时，折射角等于90°，此时有一条折射光线沿界面传播。如果入射角大于θc

，就不再有折射线，入射光的能量全部反射回到第一介质中，这种现象称为全反射，θc角为全反射的临界角。利用光的全反射原理制作一种新型光学元件-光导纤维。目前应用的光纤是以SiO2为主要原料的纤维，其纤芯芯径为数µm到数百µm。光线进入光纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。光导纤维材料通常由折射率高的纤芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有极高的透过率。A.部分光的能量被吸收，其强度将被减弱；B.介质中光的传播速度比真空中小，且随波长而变化产生色散现象；C.光在传播时，遇到结构成分不均匀的微小区域，有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，即发生散射现象。一束平行光照射材料表面发生了哪些现象？光的吸收和散射会导致原来传播方向上的光强减弱光的吸收

使介质的价电子受到光能而激发，在电子壳能态间跃迁，或使电子振动能转变为分子运动的能量，即材料将吸收光能转变为或热能放出；光通过介质会发生吸收的本质是什么？一．光的吸收光作为一种能量流，在穿过介质时:介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动中与其它分子碰撞，使电子的能量转变成分子的动能亦即热能。从而构成了光能的衰减。这就是光的吸收。朗伯特定律设有一块厚度为x的平板材料(如图)，入射光的强度为I0，通过此材料后光强度为I′。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失–dI，它正比于在此处的光强度和薄层的厚度dx，即:-dI=αIdx,1．吸收规律光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。此式称为朗伯特定律。式中α为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。α取决于材料的性质和光的波长。α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。根据光的波长，可将光进行如下划分：

γ射线—X射线—紫外光（10～400nm）—可见光(400～760nm)—红外光(760～106nm)—无线电波2．光吸收与光波长的关系1)可见光区（400～760nm）材料对光的吸收过程基于原子中价电子接受光能后，由低能级（E1）向高能级（E2）跃迁。当两个能级的能量差（E2-E1=hν=Eg，h为普照朗克常数，v为频率）等于可见光的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。Eg越小，吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深；反之，能级差Eg愈大，吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。

任何物质都只对特定的波长范围表现为透明的，对另一些波长范围则不透明。不同材料对可见光的吸收不同，从图中可见，金属和半导体的吸收系数都是很大的；电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性。也就是说吸收系数很小。2）紫外区（10～400nm）无色透明的材料的紫外吸收现象：不同于离子着色，不出现吸收峰，而是一个连续的吸收区。透光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线，通常称为吸收极限。小于吸收极限的波长完全吸收，大于吸收极限的波长则全部透过。这是因为波长愈短，光子能量越来越大。当光子能量达到禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满带（基态）跃迁到导带（激发态），此时吸收系数将骤然增大。金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化3）红外区（760～106nm）红外区的吸收是属于分子光谱。吸收过程：吸收主要是由于红外光（电磁波）的频率与材料中分子振子（或相当于分子大小的原子团）的本征频率相近或相同引起共振消耗能量所致。即在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。

同一种物质对某一种波长的吸收系数非常大，而对另一种波长的吸收系数非常小的现象称为“选择吸收”。透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。如果介质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。在此情况下,随着吸收程度的增加,颜色从灰变到黑。3．选择性吸收与均匀吸收（1）探求物质的化学组成成份太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在其连续光谱的背景上呈现有一条条的暗线－夫琅和费谱线A、B、C、D、…

其是太阳大气进行选择吸收的结果。由此可知太阳表面包含哪些元素。其表面：氢（体积占80%）、氦（18%）、还有钠、氧、铁、钙等60种元素。（2）新元素的发现氦、铯、铷、铊、铟等元素的发现

1868年法国人严森在太阳光谱中发现一些不知来源的暗线；英国天文学家洛克厄把这一现象解释为存在一种未知的元素，并将它取名为helium（氦）。由于原子吸收光谱的灵敏度很高，混合物或化合物中极少量原子含量的变化，会在光谱中反映出吸收系数很大的改变。历史上就曾靠这种方法发现了铯、铷、铊、铟、镓等多种新元素。由此也可以用这种方法来测定物质中某一种元素的含量。4、应用光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液或者结构不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来,这种现象称为散射。二．介质对光的散射1．散射的概念散射规律由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式:式中，I为在光前进方向上的剩余强度。S为散射系数其单位为cm-1，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。吸收定律与散射规律统一：透光性=I/I0三．材料的透光性透光性是指光能通过材料后，剩余光能所占的百分比。按照图所示，将光源光电流强度I0，然后在光路中插入一厚度为x的无机材料，同样测得剩余光电流强度I。1.计算光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图所示。1）反射损失L①

强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面。由于陶瓷片与左侧空间介质之间存在相对折射率n21，因而在表面上有反射损失：2）吸收损失L②与散射损失L③

这一部分光能穿过厚度为x的材料后，又消耗于吸收损失②和散射损失③。到达材料右表面时，光强度剩下：I0(1-m)e-(α+S)x。2．光能损失此时，透进材料中的光强度为I0(1-m)。3）反射损失L④

再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为L④=I0(1-m)e-(α+S)x

另一部分传至右侧空间，其光强度为注意：上式中所得的I中并未包括L④反射回去的光能。I=I0(1-m)2e-(α+S)x

显然I/I0才是真正的透光率1）吸收系数对于陶瓷、玻璃等电介质材料，材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的，见图4.4所示，这部分损失较小，在影响透光率中不占主导地位。2）反射系数反射损失对材料的透光性影响比较大。材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。另外，界面反射也影响透光性能。3）散射系数散射对材料的透光性影响最大。

材料的宏观及显微缺陷均能引起散射材料中的夹杂物、掺杂在不均匀界面上形成相对折射率。此值越大则反射系数越大，散射因子也越大，因而散射系数变大。3．影响材料透光性的因素1．提高原材料纯度，降低杂质对光的散射损失。2．掺加外加剂，降低材料的气孔率，可有效提高材料的透光性，由于外加剂本身也是杂质，所以掺多了也会影响透光性。3．采取适当的工艺措施排除气孔，使晶粒定向排列，可提高材料的透光性。四．提高材料透光性的措施一．镜反射和漫反射1．镜反射1）概念

材料表面光洁度非常高的情况下，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。2）应用

镜反射在光学材料中得到各种应用。雕花玻璃器皿，花瓶、果盘等；宝石、镜子等。镜反射的物理现象应用2．漫反射1）概念：

当光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生的反射为漫反射。2）漫反射的原因由于材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样，致使总的反射能量分散在各个方向上，形成漫反射。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。光泽度与镜反射和漫反射的相对程度有关二．光泽光泽主要由折射率和表面光洁度决定。要获得高的表面光泽，需提高材料表面的光洁度，形成完整的光滑表面。要减小光泽度，需增加表面的粗糙度。1.材料的透明与乳浊1）要获得高度乳浊（不透明性）和覆盖能力,就要求光在达到具有不同光学特性的底层之前被漫反射掉。2）要获得高的半透明性，光应该被散射。一．不透明性镜面反射和漫反射(a)釉(b)毛玻璃或瓷体漫反射的物理现象应用2.影响材料乳浊的主要因素：①颗粒尺寸；②颗粒与基体的相对折射率；③第二相颗粒的体积百分比。3.散射效果为了得到最大的散射效果，①颗粒及基体材料的折射率数值应当有较大的差别；②颗粒尺寸应当和入射波长相当；③颗粒的体积分数要高。使玻璃、陶瓷釉和珐琅呈乳白不透明的物质。在烧成时溶解在玻璃熔体内，在冷却时析出成极小晶体或未溶解而残留在玻璃体内，因而透明的玻璃变成乳浊。使光线散射，不能完全透过，常用含有氟和磷的化合物，如萤石、冰晶石、氟硅酸钠、磷酸钙和骨粉等。也可用二氧化锡、二氧化钛、二氧化锆和锆英石等

二．乳浊剂能够在玻璃基体中形成折射率与基体显著不同的小颗粒1）反射率m∞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，其反射率低。m∞决定于吸收系数和散射系数之比1.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。实际釉层的m∞下面分两种情况分析：①釉层与底材之间的反射率m=0,则釉层表面的反射率为m0；②与反射率为m′的底材相接触的釉层的表面光反射率mR′为：上式表明，当底材的反射率、散射系数、釉层厚度以及釉层反射率增加时，实际反射率也增加。用高的反射率、厚的釉层和高的散射系数,可得到良好的乳浊效果2）乳浊能力CR′=m0／mR′称为乳浊能力。取基底的反射率m′=0.80则C′0.80=m0／m0.80

式中m0.80是指基底反射率为0.80时，釉层表面的反射率。Al2O3瓷与气相的相对折射率n21≈1.80。气孔的尺寸通常和原料的原始颗粒尺寸相当，一般是0.5～2.0μm，接近于入射光的波长，所以散射最大。如图，当气孔率增加到3％左右时，透射率将降低到0.01％；当气孔率降低到0.3％时，透射率仍然只有完全致密试件的10％。，四．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。漫反射和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2．氧化物陶瓷半透明性几乎只取决于气孔的含量1）单相氧化物陶瓷含有小气孔率的高密度单相陶瓷，半透明度是衡量残留气孔率的一种敏感的尺度含有少量气孔的多晶Al2O3瓷的透射率一般瓷体由折射率接近1.5的玻璃、莫来石和石英构成。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。

提高半透明性的主要方法：①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。②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。③调整各个相的折射率使之有较好的匹配。2）半透明陶瓷半透明性是一些实用陶瓷的主要的鉴定指标。一．显色的原因

显色的原因是由于着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或选择性透射，从而显现颜色。从本质上说，某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中特定波长的光量子，以激发吸收物质本身原子的电子跃迁。材料颜色2）过渡金属离子-选择吸收可见光过渡元素的次外层有未成对的d电子,不稳定,能量较高,需要较少的能量即可激发,能选择吸收可见光。例如Co2+吸收橙、黄和部分绿光，呈带紫色的蓝光；Cu2+吸收红、橙、黄及紫光，让蓝、绿光通过；Cr3+吸收橙、黄，呈紫色；1）简单离子-选择吸收紫外光-无色外层电子是惰性气体型或铜型的电子层结构稳定,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,需要吸收波长较短的量子来激发外层电子,因而选择吸收紫外光,对可见光则无影响,因此往往是无色的。二．着色剂1.着色离子3）稀土元素（镧系元素）-选择吸收可见光镧系元素的第三外层含未成对的f电子，在4f层有未充满（即不配对）的电子,不稳定,能量较高,需要较少的能量即可激发，能选择吸收可见光。4）复合离子复合离子如其中有显色的简单离子则会显色;如全为无色离子,但互作用强烈,产生较大的极化,也会由轨道变形,而激发吸收可见光。如V5+,Cr6+,Mn7+,O2-均无色,但VO3-

显黄色,CrO42-呈黄色,MnO4-显紫色。化合物的颜色多取决于离子的颜色。离子有色则化合物必然有色。2）非金属胶体着色硫硒化镉胶体着色。以硫硒化镉胶体着色的硒红宝石，总能得到色调相同、颜色鲜艳的大红玻璃。非金属胶体粒子的着色主要决定于它的化学组成，粒子尺寸的影响很小。1）金属胶体着色金属着色剂吸收的光谱或呈现的色调,决定于胶体粒子的大小。胶体着色的着色剂最常见的有胶体金(红)、银(黄)、铜(红)。d<20nm时，溶液逐渐变成接近金盐溶液的弱黄色；d≈20—50nm时，是强烈的红色。这是最好的粒度；d≈50—100nm时，则依次从红变到紫红再变到蓝色；d≈100—150nm时，透射呈蓝色，反射呈棕色，已接近金的颜色。说明这时已形成晶态金的颗粒。因此，以金属胶态着色剂着色的材料，它的色调决定于胶体粒子的大小，而颜色的深浅则决定于粒子的浓度。2．胶体着色分为金属胶体着色和非金属胶体着色。

电子从激发能级向较低能级的衰变可能伴随有热量向周围传递，或者产生辐射，在此过程中，光的发射称为荧光或磷光，取决于激发和发射之间的时间。一、荧光(激发态原子或分子的自发辐射)1.物质的荧光特性(光致发光)广泛地用在荧光灯、阴极射线管及电视的荧光屏以及闪烁计数器中。2.荧光物质的应用光学效应指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象。通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程。在消费品生产中有时被称为冷光。

电致发光物料的例子包括掺杂了铜和银的硫化锌和蓝色钻石.3.荧光灯的工作原理荧光灯的工作是由于在汞蒸气和情性气体的混合气体中的放电作用，使得大部分电能转变成汞谱线的单色光的辐射(2537埃)。这种辐射激发了涂在放电管壁上的荧光剂，造成在可见光范围的宽频带发射。4、阴极射线发光(电致发光)二、激光(激发态原子或分子的受激辐射)激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER