无机材料性能学基础 第6章 材料的光泽与颜色

许多纯的共价固体和离子固体，本质上是透明的，但往往由于加工过 程中在其内部形成孔而变得不透明。
许多半导体材料吸收可见光，因而是不透明的。
6.3 金属与非金属材料的光学性质
6.3.2非金属材料的光学性质
(2)非金属材料的颜色
当材料的禁带宽度相应于可见光区域的某一光子频率时，往往呈现特殊的颜 色。 无机玻璃、食盐、氧化铝和金刚石等无色透明材料，都可通过掺人杂质离 子而呈现颜色。这是因为引人的杂质离子在价带与导带之间形成附加的局部 能级，使得材料对人射光的某些波长有选择地强烈吸收，因而使材料呈现颜 色。 用于玻璃、搪瓷等材料着色的颜料，要求在高温时保持颜色稳定性。 陶瓷颜料不仅要求在高温时稳定，而且要求在硅酸盐系统中是惰性的。
6.3 金属与非金属材料的光学性质
6.3.2非金属材料的光学性质
(1)非金属材料的透明性
非金属是否透明取决于其能带结构。绝缘体基本上对可见辐射透明，因 为绝缘体具有相当宽的禁带，以致可见光不足以引起电子激发。
在多相材料中，由于折射率在相界发生不连续的变化，光线会被相 界反射或散射。这种内反射和散射造成光线的漫透射。
6.3 金属与非金属材料的光学性质
6.3.1金属的光学性质
金属具有不透明性和高反射率，即吸收系数a和反射率R都很大。这是 由于金属的价带与导带重叠(无能隙)，使得电子已填充的能级上方有 许多空能级，所以频率分布范围很宽的各种入射辐射都可将电子激发 到能量较高的空能级中。
金属在白色光线下所呈现的颜色将取决于这种发射波的频率。
当光从真空进人较致密的材料时，其速度降低，引起光的偏折，这种现 象称为光的折射。
引起光速变慢的原因是光波中的电场引起介质极化。
6.2材料与光的相互作用
6.2材料与光的相互作用
6.2.2 光的反射与表面光泽
反射光强度与入射光强度之比，称为反射率。其值与入射光的彼长，介质 的种类有关，入射角越大，表面故光洁及光的吸收越小，垂直入射时：
6.1 有关的基础理论
能带的形成还与晶体原子间距有关。原子间距大，相互作用小，分裂小 而原子间距小，分裂就大。
6.1 有关的基础理论
(2)导带和价带 OK时，所有电子均处于最低能量状态。 满带：全部充满电子的能带 价带：能量值最高的满带，通常被价电子所占据 空带：全空的能带 导带：能量值最低的空带 禁带：导带与价带之间的电子能级不存在的区段
6.1 有关的基础理论
大多数金属的价带没有被电子占满，而且常有价带与导带重叠的情况。 绝缘体的价带刚好被电子占满，导带与价带之间的禁带很宽，电子不容 易依靠热激发跃迁到导带。半导体的能带结构与绝缘体相似，只是禁带 较窄，电子容易受激发而跃迁到导带。
6.1 有关的基础理论
(3)定域能级 杂质原子和缺陷的存在破坏了原来完整的晶格周期性。在这些晶格周期 性遭到破坏的地方，有可能在禁带中产生一些特殊的能量状态，称为 “束缚态”。即当部分电子(或空穴)被束缚在这些地区附近时，它们的 能量值可能落在禁带中，形成一些新的特殊能级，故称这些被束缚的电 子(或空穴)的特殊状态的能级为定域能级，或局部能级。
6.2材料与光的相互作用
6.2.4 发光
（1）材料的发光现象 一般无机固体从外界吸收能量使电子处于激发态后(从价带跃迁到导带) ，又会自发地衰减到基态(回到价带)，所吸收的能量或以热的形式传递 给晶格，或以电磁辐射的形式发射出来。若发射出来的是可见光或近似 可见光，则称这种现象为发光。为了区别物质在高温下所发出的光，有 时也称这种光为冷光。 (2)固体材料的发光原理 材料能否发光，发光时间的长短均与其能带结构有直接关系。
6.2材料与光的相互作用
6.2.Biblioteka Baidu光的吸收和颜色
（1）光的吸收
(2)材料的颜色
6.2材料与光的相互作用
6.2.3光的吸收和颜色
固体材料对光的吸收机理是:当光通过固体时，外层电子获得能量，从 低能态向高能态跃迁，即电子吸收了光子的能量，从基态跃迁到激发态 。电子跃迁的形式有以下4种:
①禁带跃迁(直接跃迁)。 ②由于晶体缺陷引起的电子跃迁。 ③过渡金属、稀土或其他未填满电子壳层离子的内部电子跃迁。 ④电子从一个离子转移到另一个离子的电荷转移过程。
6.1.2 光谱简述
根据频率由低到高的顺序，电磁波谱包括无线电波、微波、红外光、可见光、 紫外光、X射线、γ射线及宇宙射线。
6.2材料与光的相互作用
对于给定波长的光辐射，可认为是由一些光子构成的。光子的重要特性 是其能量、波长和频率之间有关系为:
光辐射具有波粒二象性
6.2材料与光的相互作用
6.2.1 光的折射和色散
第6章 材料的光泽与颜色
本章内容
6.1 有关的基础理论 6.2 材料与光的相互作用 6.3 金属与非金属材料的光学性质
6.1 有关的基础理论
6.1.1能带理论简述
材料的光学性质与其内部电子的能量状态及电子跃迁有密切的关系。
例如原来的N个相同的1s能级，现在分裂成N个能量差别极微小的能级，构成一个 能带，即电子的共有化运动使电子能级分裂为能带。
6.2材料与光的相互作用
6.2.2 光的反射与表面光泽
固体的折射率大，反射率就大，反之亦然。这意味着在光学系统中，当 折射率增大时，反射损失增加。在有些光学工程应用中，希望强折射和低反 射相结合。实现这一目的通常采用表面涂层技术。
6.2材料与光的相互作用
大多数材料的表面并不是完全光滑的，因此，在表面上产生大量各个方向的 漫反射，随着表面粗糙度增大，镜面反射量逐渐减少，漫反射量增大。镜面 反射的反射光线具有较强的方向胜，因而有较亮的光泽。
6.1 有关的基础理论
由多余价电子引起的定域能级又称施主能级，这种杂质称为施主杂质。 这种能接受价带中价电子的定域能级称为受主能级。
6.1 有关的基础理论
6.1.2 光谱简述
根据频率由低到高的顺序，电磁波谱包括无线电波、微波、红外光、可见光、 紫外光、X射线、γ射线及宇宙射线。
6.1 有关的基础理论