固体的光学性质.
固体的光学性质与激光
固体的光学性质与激光光学是研究光的传播和相互作用的学科。
光学性质是指物质对光的吸收、反射、透射、散射、折射等特性。
在固体物质中，光学性质的研究对于理解物质的结构、性质和应用具有重要意义。
而激光则是由固体、液体或气体等特定材料产生的一种高强度、高单色性、高方向性的光束。
固体的光学性质与激光有着密切的联系，本文将探讨固体的光学性质对激光的产生和应用的影响。
第一节：固体的吸收和发射1.1 线性吸收和非线性吸收固体物质对光的吸收可以是线性吸收或非线性吸收。
线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并将其转化为热能或其他形式的能量。
非线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并在吸收过程中发生电子或原子激发，从而改变了物质的电子结构和光学性质。
1.2 发射光谱固体物质在吸收光的过程中，还会发射出特定的光谱。
发射光谱可以用来研究物质的结构和能级分布。
发射光谱的特征峰位、峰形和强度都可以反映固体的光学性质。
第二节：固体的光学色心和发光2.1 光学色心光学色心是指固体物质中的某些原子、离子或分子在激发态和基态之间存在着能级差的结构。
这些能级差导致了物质在特定波长的光照射下的吸收和发射行为。
色心可以使物质呈现出特定的颜色。
2.2 固体的发光固体物质在某些条件下会发光。
例如，某些晶体在被紫外光或其他波长的光照射下会发光。
这种发光现象被称为固体荧光。
由于固体的光学性质与能带结构和晶体结构密切相关，固体的发光现象可用来研究物质的结构和性质。
第三节：固体的激光产生3.1 激光器原理激光器是一种利用激活介质产生激光的装置。
激活介质可以是固体、液体或气体。
固体激光器利用固体材料中的光学色心或荧光现象产生激光。
3.2 固体激光材料固体激光材料通常具有较高的吸收截面和较长的寿命，使其适合用于激光器的工作介质。
常见的固体激光材料包括Nd:YAG晶体、Ti:sapphire、Er:YAG晶体等。
第四节：固体激光的应用4.1 材料加工固体激光器在材料加工领域具有广泛的应用。
第四课 固体(课件)高二物理(人教版2019选择性必修第三册)
是非晶体
多晶体和非晶体都具有各向同性
C．一块固体，若有确定的熔点，则该固体必定为晶体
D．黄金可以切割加工成各种形状，所以是非晶体
只有晶体才 有固定熔点
黄金是晶体，切割后分子结构不变，仍然是晶体
小试牛刀
4．关于晶体和非晶体，下列说法中正确是（ A）
A．单晶体具有各向异性 B．多晶体也具有各向异性 C．非晶体的各种物理性质，在各个方向上都是相同的 D．晶体的各种物理性质，在各个方向上都是不同的
安德烈与康斯坦丁，两人在此有贡献。
碳族新材料——石墨烯
富勒烯
碳纳米管
硬
薄
透光 性好
导热系 数高
可弯曲
石墨烯晶体管
室温下石墨烯载流子迁移率高，受温度和掺杂影响小，超高频率
柔性显示屏
石墨烯良好的电导性、透光性及柔性，使它在透明导电方面极具优势。
柔性光伏电池板
石墨烯与硅结合的新型太阳能电池。
超轻型飞机材料
某些物理性质各向异性 无规则的几何形状
多晶体 有确定的熔点
物理性质各向同性 无规则的几何形状
非晶体 无确定的熔点
物理性质各向同性
知识深化
判断晶体与非晶体、单晶体与多晶体的方法
(1)区分晶体与非晶体的方法： 看其有无确定的熔点，晶体具有确定的熔点，而非晶体没有确定的
熔点.仅从各向同性或者几何形状不能判断某一固体是晶体还是非晶体.
小试牛刀
2. 关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是 ( C )
A．可以根据各向同性或各向异性来鉴别晶体和非晶体
B．一块均匀薄片，沿各个方向对它施加拉力，发现其强度一样，
则此薄片一定是非晶体
多晶体和非晶体都显示各向同性，只有单晶体 显示各向异性
固体材料的宏观光学性质 61页PPT文档
astronomynotes/light/emanim.gif
• Solids which bond ionically, show high absorption because ions of opposite charge move in opposite directions
in the same electric field hence we get effectively twice the interaction between the
• Finally we will mention applications, in particular optical fibres and lasers
Optic: 2
Nature of light
• Light is an electromagnetic wave:
with a velocity given by c = 1/(00) = 3 x 108 m/s
evidence for energy levels in atoms evidence for energy bands and band-gaps photoelectric effect
Optic: 4
General description of absorption
• Because of conservation of energy, we can say that I0 = IT + IA + IR
光电子技术基础题库
光电子技术基础题库一．填空题1、光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件，光源器件分为 光源和 光源。
2、某一半导体材料的禁带宽度为3.1 电子伏特，则该半导体本征吸收的长波极限为 纳米。
3、最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国家的梅曼制作的激光器。
4、当受激辐射大于受激吸收的时候，物质对外表现为光 ，当受激辐射小于受激吸收时候，物质对外表现为光 。
5、激光器的基本结构包括 ， ， 。
6、受激辐射产生的光的特点是： 好， 好， 好。
7、发光的方式很多，但根据余辉的长短可将发光大致分成 和 两类。
8、光电探测器的物理效应可以分为三大类： 、和 。
9、太阳能电池是利用半导体的 原理直接把光能转化为电能的装置。
10、光纤由传导光的 和外层的 两同心圆形的双层结构组成，且12n n 。
外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。
11.根据液晶的分子不同可以将其分为 、 和 液晶。
12. 按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为 衍射和 衍射 。
13. 在间接带隙半导体中，电子由价带顶跃迁到导带底时，需要同时吸收或发射 ，以补偿电子准动量的变化。
14.光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），和。
15. 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示与频率的关系，虚部表示物质与频率的关系。
16、液晶显示所用的液晶材料是一种兼有和双重性质的物质，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。
17、某一半导体材料的禁带宽度为2.6 电子伏特，则该半导体本征吸收的长波极限为纳米。
18、光纤通光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件，光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等)、和等。
19、受激辐射产生的光的特点是：好，好，好。
20、激光器按工作方式区分可分为和激光器。
21.光电子技术主要研究光与物质中的电子相互作用及其的相关技术，是一门新兴的综合性交叉学科。
固体光学1-3.ppt
1
1
n2
=
1 2
ε
1+
(ε0σεω
)2
2
+1,
κ
2
=
1 2
ε
1+
(ε0σεω)2
2
− 1
Q : 如果 ε 为负值，n 以及 κ 该如何面四个为相对于真空的比值
n2
光从自由空间垂直入射到半无限固体表面：
Maxwe11 方程 ＋ 边界条件
电介质
n?κ
，R
≈
(n −1)2 (n +1)2
r
=
Er
/
Ei
=
nc nc
−1 +1
=
n n
+ iκ + iκ
−1 +1
R
=
Ir
/
Ii
=
r
*⋅r
=
(n (n
− 1) 2 + 1)2
+κ2 +κ2
金属 n ≈ κ ? 1 ，R → 1 几乎全反射
ζ −ω
贡献不大，只需考虑 ζ ~ ω 的积分！
注 ： 能 否 直 接 用 r (ω )？ 至 少 繁 琐 且 得 不 到 这 些 分 析 。 并 且 其 实 部 虚 部 不 是 可 测 量 量 。
2. 从反射系数r(ω) = ρ(ω)eiθ ,(ω) 求折射率 n 和消光系数 κ
在垂直入射情况下，r(ω ) 与折射率 n，消光系数 κ
注：消光系数大，并不意味高吸收，也可能光反射掉了
§2. Kramers-Kronig关系式
固体物理知识点总结
固体物理知识点总结1. 固体的结构固体的结构是固体物理研究的重要内容之一。
固体的结构可以分为晶体结构和非晶体结构两类。
晶体是指固体物质中原子、离子或分子按照一定规则有序排列的结构，具有长程有序性。
晶体的周期性结构使其具有一些特殊的性质，如晶格常数和晶胞结构等。
晶体的结构可以根据晶体的对称性将晶系分为七类：三斜晶系、单斜晶系、单轴晶系、三方晶系、四方晶系、立方晶系和六方晶系。
非晶体是指固体中原子、离子或分子无序排列的结构，没有明显的周期性，具有短程有序性。
2. 固体的热力学性质固体的热力学性质是指固体在温度、压力等条件下的热力学行为。
其中包括固体的热容、热导率、热膨胀系数等热力学性质。
固体的热容是指单位质量的固体物质吸收或释放的热量与温度变化之间的关系。
固体的热导率是指单位时间内，单位面积和单位温度梯度下热量的传导速率。
固体的热膨胀系数是指单位体积的固体物质在温度变化时体积的变化与温度变化之间的关系。
3. 固体的光学性质固体的光学性质是指固体对光的吸收、散射和折射等性质。
固体的光学性质与其结构和原子（分子）的能级结构有关。
固体物质中的原子和分子会吸收特定波长的光子，产生特定的光谱线。
固体的折射率是指光在固体中传播时的光线偏折情况，也称为光线传播速度与真空中的光速之比。
4. 固体的电学性质固体的电学性质包括固体的导电性、介电常数、电阻率等。
固体的导电性是指固体对电流的导通能力。
固体的介电常数是指固体在外电场作用下的电极化程度。
固体的电阻率是指固体对电流的阻碍程度。
5. 固体的磁学性质固体的磁学性质是指固体在外磁场下的磁化行为。
固体物质中的原子和分子会在外磁场下产生磁化。
固体的磁学性质与其结构和原子（分子）的磁矩分布有关。
固体的磁化率是指固体在外磁场下的磁化程度。
固体物理是物理学中一个重要而广泛的研究领域，涉及的内容十分丰富和复杂。
本文仅对固体物理的基本知识点进行了简要的介绍和总结，希望能够为读者的学习和研究提供一些帮助。
光学常数及色散关系
一般地说，ε或χ是频率ω和波矢 k 的函数，然而在平均场近似下，ε的 波矢依赖，即ε的空间色散关系可以忽略不计。即ε(ω, k)=ε(ω)。也就是说， D和E之间的关系是局域化的。 而当D，E之间的关系不完全局域化，呈现一定的延展性时，即空间 某一点的D不再完全由该点的E所决定， ε将发生空间色散。 在透明晶体如石英中，这种虽然很小的非局域效应，也会引起空间 旋光现象。 在金属中，由于金属对光的强吸收，使传导电子的自由程比光的穿 透深度大得多，在这种情况下，将发生反常趋肤效应，结果造成D和E之 间的非局域化。因此在金属中应当考虑ε的空间色散问题。 在光与激子的相互作用的情况下，激子的束缚半径不同，对光的响 应也不同，因此ε的空间色散也是很重要的。
显然，消光系数或吸收系数大的介质，光的穿透深度浅，表明物质的吸 收强，例如，α=104cm-1的强吸收体，光强深度只有1微米。 此外由(1.21)式还可见到，长波光比短波光穿透深度大。
σ 106(Ω-1cm-1) (9×1017s-1)
λ 1μm 100μm 1cm 1m 10km
d1(cm) 1.45 ×10-7 1.45 ×10-6 1.45 ×10-5 1.45 ×10-4 1.45 ×10-2 4.58 ×10-7 4.58 ×10-6 4.58 ×10-5
1-R 1.15×10-4 1.15×10-6 3.65×10-1 3.65×1015s-1)
1μm 100μm
1cm
1m 10km
1.45 ×10-4
1.45 ×10-3 1.45 ×10-1
2.9×10-4
2.9 ×10-3 2.9 ×10-1
3.65×10-3
d2(cm) 2.9×10-7 2.9×10-6 2.9×10-5 2.9×10-4 2.9×10-2 9.16 ×10-7 9.16 ×10-6 9.16 ×10-5
固体的光学性质和光材料课件
应用 了解光材料的电导率对于其在电子设备、传感器 和电路中的应用非常重要。
热导 率
热导率
热导率是描述光材料在热量传递 方面的能力的物理量。热导率越 高，光材料在热量传递方面的能 力越强。
影响热导率的因素
光材料的热导率受其内部原子或 分子的振动和晶格结构影响。金 属材料通常具有高热导率，因为 它们的原子结构允许热量通过晶 格振动传递。
应用
了解光材料的热导率对于其在散 热器、电子封装和热管理中的应 用非常重要。
06 光材料的化学性质
稳定性
稳定性是指光材料在特定环境 条件下保持其化学和物理性质 的能力。
02
晶体具有各向异性，即 其光学性质在不同方向 上有所不同。
03
04
常见的晶体材料包括硅、 锗、金刚石、石榴石等。
晶体在光学仪器、激光 器、光电子器件等领域 有广泛应用。
非晶体
01
02
03
04
非晶体是原子或分子排列无序 的固体，没有明显的晶体结构。
非晶体具有各向同性，即其光 学性质在各个方向上相同。
影响因素
物质的反射率与物质的性质、光的波长和入射角等因素有关。不同 物质有不同的反射率，同一物质对不同波长的光也有不同的反射率。
应用
在光学仪器、光学通信和显示技术等领域，需要使用具有特定反射率 的光学材料。通过调整材料的反射率，可以实现对光的控制和调制。
透过率
透过率
是指光在介质中传播时，透射光强度与入射光强度的比值。透过率的大小反映了光在介质 中传播的难易程度。
固体的光学性质和光 材料课件
固体气体液体性质及应用
固体气体液体性质及应用固体、气体和液体是物质存在的三种常见形态，它们有着不同的性质和应用。
固体是物质的一种形态，其特点是具有固定的形状和体积，其分子之间的相互作用力比较强，分子之间的距离相对较小。
固体的特性包括密度大、不易变形、难以流动、融点高等。
常见的固体有金属、无机盐、有机物等。
固体的性质和应用有：1. 强度和硬度：固体具有一定的强度和硬度，可以用于制造建筑材料、工具、金属结构等。
2. 导电性：金属固体具有良好的导电性能，适用于制造电线、电器设备等。
3. 光学性质：一些固体具有特殊的光学性质，如水晶、玻璃等，可用于制造光学仪器、眼镜、透明容器等。
4. 热导性：一些固体具有较好的热导性能，如金属，可用于制造散热器、热交换器等。
5. 燃烧性：一些固体具有易燃性，如木材、石油等，可用于能源的获取和利用。
气体是物质的一种形态，其特点是没有一定的形状和体积，能够自由扩散和运动，分子之间的相互作用力相对较弱。
气体的特性包括可压缩性、容易流动、易蒸发、热膨胀等。
常见的气体有空气、氢气、氧气等。
气体的性质和应用有：1. 压力和体积：气体具有弹性，受到外力作用时会发生体积变化，可用于制造气体弹簧、气囊等。
2. 可压缩性：气体可以通过施加压力进行压缩，广泛应用于气体储存和输送。
3. 温度和压力关系：根据理想气体状态方程，气体的温度和压力成正比关系，可以用于制造温度计、气压计等。
4. 燃烧性：氧气是燃烧的必需物质，空气中含有氧气，因此气体可以用作燃料和氧气供应。
液体是物质的一种形态，其特点是具有固定的体积但没有固定的形状，可以流动和扩散。
液体的分子之间的相互作用力比气体要强，但比固体要弱。
液体的特性包括不可压缩性、易流动性、充满容器、有表面张力等。
常见的液体有水、酒精、油等。
液体的性质和应用有：1. 溶解性：液体可以与其他物质发生溶解作用，广泛应用于溶液制备、药物制剂等。
2. 粘度和流动性：液体的粘度较大，但仍然可以流动，适用于制造润滑剂、液体密封剂等。
固体的光学性质和光电现象
（1）本征吸收 本征吸收：光照后，电子由价带向导带的跃迁
所引起的光吸收称为本征吸收。
光子能量满足的条件：
h h 0 Eg
其中， 0 是发生本征吸
收的最低频率限，相应的 0
0，0 称为半 为长波极限，
导体的本征吸收限。
24
7.4 半导体的光吸收
本征吸收长波限的公式：
hc 1.24eV 0 （ m） Eg Eg (eV )
22
7.4 半导体的光吸收
半导体的光吸收
半导体材料通常能强烈地吸收光能，具有 数量级为105cm-1的吸收系数。材料吸收辐射能 导致电子从低能级跃迁到较高的能级。
1.不同能带的状态之间； 电子吸收光子 2.同一能带的不同状态之 间； 能量后将跃迁 3.禁带中能级与能带之间。
23
7.4 半导体的光吸收
对于无吸收介质，＝0
K 0, 故n / 0
7
7.1 固体的光学常数
除了用（n, K）和(ε,σ)来描述物质的光性外，
还可用复介电常数或复电导率来描述：
i
i
8
7.1 固体的光学常数
总之，描述固体的宏观光学性质可以有多
种形式，可用两个参数组成一组，或用一个复
12
7.3 光学常数的实验测量
光学常数的实验测量
（1）椭圆偏振光谱方法
测量固体光学常数谱的常用方法是椭圆偏 振光谱方法。通过同时测量反射光束或透射光 束振幅衰减和相位改变，它可以只经由光谱测 量，而不必借助k-k变换直接求得被测样品的折
射率和消光系数，从而获得被研究固体的全部
光学常数。
13
7.3 光学常数的实验测量
20
9.1-固体中的光吸收详解
例如锗, n≈4, 在弱吸收区的反射率也有 R=0.36＝36％
() 2k() 2 ()
c
n()c
R
(n (n
1) 2 1)2
k2 k2
如果一种固体强烈地吸收某一光谱范围的光, 它 就能有效地_________在同一光谱范围内的光。
反射
§9-2 固体中的光吸收过程
对固体中各种可能的光吸收过程做一简要的说明 在图中画出了一个假想的半导体吸收光谱
和 k(ω), 随即可得 R(ω), 与实验测得的值比较
可以看到当吸收系数很大, 若 k>>n, 这时 R≈1, 即入射光几乎完全被反射。因此, 如果一种固体强 烈地吸收某一光谱范围的光, 它就能有效地反射在 同一光谱范围内的光
在没有吸收时 (k=0), 也会发生反射, 有
R
(n (n
1) 2 1)2
矩阵元 <c, k’|H’|v, k> 为如下布洛赫函数之间的积分
c, k ' | H ' | c, k
q A0 m
e* iqr p d r
c,k '
v,k
可仿照讨论电子－声子相互作用矩阵元的方法证明矩
阵元只有在 k’-k-q = Gn 时才不为零, 光子的 q 值很小, 可忽略
考虑 k’－ k = 0 的竖直跃迁, 矩阵元可以简写成
利用复折射率与复介电常数之间的关系
可得
n() ik()2 1() i2()
2n(n()2)k(k())22 (1)()
可以用 ε1, ε2 描述固体的光学性质, 也可以用 n, k 描述固体的光学性质, 二者是等价的
实际上还要利用 Kramers-Krönig 关系, 由 ε2(ω) 计算出 ε1(ω)
高中人教版物理选修3-3学案：9.1 固体 含答案
第九章固体、液体和物态变化〔情景切入〕“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”，“柳树结银花，松树绽银菊”，把我们带进如诗如画的仙境。
大自然蕴藏着无穷的奥秘，洁白轻灵的雪花为我们展露了冰山一角。
这一章我们从分子的三种聚集状态：固态、液态和气态来探究物质处于不同状态时的物理性质。
〔知识导航〕根据分子动理论，分子永不停息地做无规则热运动，分子间存在相互作用的引力和斥力。
这一对矛盾决定了分子的不同聚集状态，也就决定了物质的结构。
当分子无规则运动起主要作用时，物质将呈气体状态；当分子力起主要作用时，物质将呈固体状态；当分子无规则运动与分子力相当时，物质将呈液体状态。
物质的不同结构，自然表现出不同的物理性质。
本章内容共四节，大致可分为两个单元：第一单元包括第1、2 节，即“固体”和“液体”，讲述固体和液体的性质，这部分内容可看成是第七章“分子动理论”的具体应用。
第二单元包括第3、4 节，即“饱和汽与饱和汽压”和“物态变化中的能量交换”，通过讲述汽化过程的一些知识，再扩展到物态变化中的能量交换。
本章重点：晶体和非晶体；晶体的微观结构；液体的表面张力；浸润和不浸润。
本章难点：饱和汽与饱和汽压；熔化热；汽化热。
〔学法指导〕本章内容是对初中知识的扩展和加深，如何突破本章知识要点，把握重点、掌握方法是关键。
(1)理解晶体的微观结构，从宏观特征入手，通过照片和图示来呈现晶体的几何形状和规则的外形特征。
(2)会用分子动理论解释液体的性质，通过做实验，观察现象、深入思考、发现问题。
(3)从“动”的角度认识现象，理解“动态平衡”的思想。
(4)从分子动理论认识物态变化的能量交换。
(5)重视新旧知识的联系，将物理知识与当前活跃的科研领域结合起来，认识到物理知识在生活中的重要应用。
第一节固体【素养目标定位】了解固体的分类、晶体、非晶体※知道晶体的分类、晶体的结构和性质※理解单晶体的各向异性、多晶体和非晶体的各向同性【素养思维脉络】课前预习反馈知识点1固体及其分类1．特性(1)固体看得见、摸得着，容易察觉它的存在。
固体物理中的光学性质
固体物理中的光学性质在固体物理领域中，光学性质是一个重要且引人瞩目的研究方向。
光学性质涉及到光的传播、吸收、散射、折射等现象，对于理解固体材料的结构和行为具有重要意义。
本文将简要介绍固体物理中的光学性质及其应用。
一、光的传播速度固体物理中的光学性质首先涉及到光的传播速度。
在真空中，光的传播速度为常数，即299,792,458米/秒。
然而，当光线进入介质中时，由于介质折射率的不同，其传播速度会发生改变。
根据斯涅尔定律，光线在两种介质之间传播时，入射角和折射角之间遵循一定的关系。
这个现象在固体物理中得到了广泛研究和应用。
二、吸收与发射固体物理中的光学性质还涉及到固体材料对光的吸收和发射现象。
在特定波长下，固体材料可以吸收光的能量，导致电子从基态跃迁到激发态。
不同材料对光的吸收和发射的特性不同，这一特性对于光电子器件和光催化反应等应用具有重要意义。
三、光的散射固体物理中的光学性质还包括光的散射现象。
当光线通过固体材料时，会与固体中的原子、离子或杂质发生相互作用，导致光的散射。
根据散射的形式，可以将其分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射不改变光的能量，而非弹性散射会导致光的能量发生改变。
这一现象在材料表征和光学传感器等方面具有广泛的应用。
四、材料的折射率固体物理中的光学性质还涉及到材料的折射率。
折射率是一个描述光在介质中传播行为的重要参数，定义为光在线速度和介质中的传播速度之比。
折射率越大，光在介质中传播的速度越慢。
折射率对于材料的光学性能和光学器件的设计具有重要意义。
五、光学材料的应用固体物理中的光学性质在许多领域中得到了广泛的应用。
例如，在光通信领域，光纤作为一种光学传输介质，其光学性质对于数据的传输速率和传输距离具有重要影响。
在光电子学领域，光学性质的研究和应用推动了光电子器件的发展，例如激光器、光电二极管和太阳能电池等。
此外，光学性质还在材料科学、能源领域、环境监测和医学诊断等方面有着重要应用。
例如，可见光谱技术被广泛应用于材料表征和质量检测领域，红外光谱技术在环境监测和生物医学领域具有重要应用。
物理固体的知识点总结
物理固体的知识点总结1. 固体的结构物理固体有着多种结构，包括晶体结构和非晶体结构。
晶体属于有序结构，原子、离子或分子之间以固定的空间排列和交错方式连接在一起，形成一个周期性的结构。
而非晶体则属于无序结构，原子、离子或分子之间仅存在短程有序的排列，整体上没有周期性的结构。
2. 固体的力学性质固体的力学性质包括弹性模量、塑性变形和断裂等。
弹性模量是固体材料在受力时的变形能力，包括杨氏模量、剪切模量和泊松比。
塑性变形是指固体在受力时会发生形变，而不会恢复到原始形状。
断裂是指固体在受到过大的外力作用时会发生裂纹和断裂现象。
3. 固体的热学性质固体的热学性质包括热扩散、导热和热容等。
热扩散是指固体在受到热量作用时会扩散和传播，导热是指固体对热量的传递能力，而热容则是指固体在受热时所吸收的热量。
4. 固体的光学性质固体的光学性质包括光的透射、反射和折射等。
固体对光的透射、反射和折射能力取决于固体的光学密度和折射率等因素。
5. 固体的电学性质固体的电学性质包括导电性和绝缘性。
导电性是指固体对电流的导电能力，而绝缘性则是指固体对电流的隔绝能力。
6. 固体的磁学性质固体的磁学性质包括顺磁性、铁磁性和反铁磁性等。
固体的磁性取决于固体中磁性原子或原子团簇的排列方式和磁矩的相互作用。
物理固体的研究是固体物理学的一个重要方向，通过对固体的结构和性质进行深入的研究，可以更好地了解和利用固体材料的特性。
随着科学技术的不断发展，人们对固体物理学的研究也将会进行更深入、更全面的探索，为人类社会的发展和进步提供更多的科学支撑。
固体中的光吸收
一、光吸收的描述——复数介电常数
电磁波在介质中传播, 当需要考虑吸收的影响时, 介 电常数要用复数来描述。引入
() 1 () i 2 ()
其中 ε1(ω) 为实部, ε2(ω) 为虚部。电场为
i ( qxt ) E y E 0e
表示电磁波沿 x 方向传播, E 与传播方向垂直
在图中画出了一个假想的半导体吸收光谱
本征吸收区对应于价带电子吸收光 子跃迁至导带, 产生电子－空穴对 由于各类材料能带结构的差别, 它可以处于紫外、可 见光以至近红外光区。它的特点是吸收系数很高, 可 达 105－106 cm－1
本征吸 收区
在它的低能量一端, 吸收系数下降很快, 这就是 本征吸收边, 它的能量位置与带隙宽度相对应 在吸收边附近, 有时可以观察到光谱的精细结构, 它 是与激子吸收相联系, 特别是在离子晶体中尤为显著
E反 n 1 ik ＝ E入 n 1 ik
可得反射系数
2 2 2 E反 ( n 1) k R | r |2 E入 (n 1) 2 k 2 2k tg n 2 k 2 1
可见, 只需测得 R 和θ, 就能定出光学系数, 但 实际上测量 θ 是很困难的, 通常也是利用 R 和 θ 间的类似 Kramers-Krö nig 关系, 由测量的 R(ω) 值来推算 θ(ω):
i 0 1( ) 1 E 2( ) 0 E
上式表明在介质吸收中, 电流 j 分为两部分,
一部分与 E 位相差 90°, 称为极化电流, 一部分与电场同位相, 称为传导电流 对于极化电流, 电流与电场位相差 90 °, 在一个 周期中平均的结果, 电场作功为零, 因而不消耗 电磁场的能量
固体物理中的光学性质1
固体物理中的光学性质1光学性质是固体物理中的重要研究方向之一，它涉及到光在固体材料中的传播、吸收和散射等现象。
本文将从不同角度探讨固体物理中的光学性质，包括光的折射、吸收和发射以及光在固体材料中的传播特性等方面。
折射是光线由一种介质射入另一种介质时所发生的改变方向的现象。
根据光的折射定律，光线入射角和折射角之间存在一定的关系。
例如，当光线从真空中射入一个介质时，入射角和折射角之间满足sinθ1/sinθ2=n，其中θ1为入射角，θ2为折射角，n为介质的折射率。
不同固体材料具有不同的折射率，因此光在不同的介质中会有不同的传播速度和传播路径。
吸收是指固体材料对光的能量吸收的过程。
当光照射到固体材料上时，一部分能量会被材料吸收，导致材料中的电子激发到高能态。
这些激发态电子会经过一系列的跃迁过程，最终回到基态并发射出能量相等的光子。
这就是光的吸收和发射过程。
吸收系数是衡量固体材料对光能量吸收能力的一个重要参数，它与材料的光学能隙和电子态密度等因素有关。
固体材料的光学性质还与其结构密切相关。
例如，晶体中的原子或分子排列具有周期性，这种周期性结构会对光的传播产生一定的影响，如晶体的光学各向异性。
此外，固体材料中的缺陷和杂质也会影响光的传播和吸收。
例如，晶体中的点缺陷会导致光的散射现象，使得材料呈现出不同的光学性质。
光的极化性质也是固体物理中的重要研究内容。
光的极化方向指的是光电场中电场矢量的方向，可以分为线偏振光和圆偏振光等不同类型。
固体材料对不同极化方向的光响应也会有所不同。
例如，某些材料只能吸收特定方向的线偏振光，而对其他方向的光则没有吸收。
这种现象被称为吸收选择性，它与材料的晶体结构和分子取向密切相关。
除了上述内容外，固体物理中的光学性质还包括光的散射现象、非线性光学效应等。
光的散射是光与固体材料中的微观结构相互作用的结果，可以分为弹性散射和非弹性散射等不同类型。
非线性光学效应则是光与固体材料发生强相互作用时所呈现出的一系列非线性行为，如二次谐波产生、光学瞬态效应等现象。
固体性质
同，则这个固体一定是非晶体 C．一块固体，若有确定的熔点，则该固
体必定为晶体 D．黄金可以切割加工成各种形状，所以
是非晶体
.
例5 关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是 () A．有规则的几何外形的固体一定是晶体 B．晶体在物理性质上一定是各向异性的 C．非晶体在适当的条件下可能转化为晶体 D．晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔 点 晶体、非晶体的区分关键是看有无固定的熔 点，单晶体与多晶体的区分关键是看有无规 则外形及物理性质是各向异性还是各向同性
.
对熔点的解释
给晶体加热到一定温度时，一部分微粒 具有足够大的动能克服微粒间的相互作 用，离开振动的平衡位置，使规则的排 列被破坏，晶体开始熔解，熔解时晶体 吸收的热量全部用来破坏规则的排列(从 能量角度来看是增加了分子势能)，温度 并不发生变化．
.
多晶体的微观结构及对其性质的解释
多晶体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体(晶 粒)组成的．平常见到的各种金属材料都是多晶 体．把纯铁做成的样品放在显微镜下观察，可以 看到它是由许许多多晶粒组成的．晶粒有大有小， 最小的只有10－5 cm，最大的也不超过10－3 cm. 每个晶粒都是一个小单晶体，具有各向异性的物 理性质和规则的几何形状，因为大量晶粒的杂乱 无章地排列，所以多晶体没有规则的几何形状， 也不显示各向异性．它在不同方向的物理性质是 相同的，即各向同性．
(1)在外形上：晶体具有规则的几何形状，非 晶体没有规则的几何形状。
食盐的晶体呈立方体形，明矾的晶体呈八面 体形，石英的晶体中间是一个六面棱柱，两 端是六棱锥．冬季的雪花，是水蒸气在空气 中凝华时形成的冰的晶体，它们的形状虽然 不同，但一般是六角形的规则图案．
研究固体中过渡金属离子光学性质的实验光谱技术
研究固体中过渡金属离子光学性质的实验光谱技术谷至华(中国科学院长春物理研究所，1980年)由于过渡金属离子的非满壳层结构，从基态到第一激发态能级的能隙相当于光学光子的能量，故过渡金属离子被广泛地用作发光材料的激活剂。
为了得到高效发光材料，人们以各种手段研究它们在固体中的光学行为。
其中光学光谱实验是最重要的手段之一．在光学光谱实验中我们可以得到许多有关过渡金属离子形成的发光中心的信息如发光中心的种类，对称性，电子能级结构以及这些中心的跃迁强度和偶极子性质等。
本文讨论了研究固体中过渡金属离子光学性质的光学光谱实验技术。
一、能级的确定对于过渡金属离子掺杂的(激活的)固体材料，可以通过测量它的吸收光谱(对于单晶)和漫反射光谱(粉末材料)确定材料的激发能级。
然而由于掺杂离子可以进入不同的晶格位置，也可能还有一些无意识混进去的其它杂质的作用，实际上材料的吸收光谱往往是比较复杂的。
同样，不同的发光中心都会有辐射发射，这些中心的发射带也可能相互重叠．实际的发射光谱也往往是很复杂的。
通过对发光衰减时间的研究可以区别不同的发光中心．因为一种给定的过渡金属离子的发光通常来自单一的激发态，而该激发态的寿命又是确定的，因此不同的衰减时间就标志着不同的激发态，也标志着不同性质的发光中心。
如果不同中心的发射光谱不重叠，可以通过测量某一发光中心的发射强度随激发波长的变化来确定该中心的吸收。
用连续可调的单色光激发样品，当激发光的波长和某一中心(譬如说A中心)的吸收重叠时，就被该中心吸收了,从而产生A中心的特征发光。
这个发光强度就是该中心吸收强度的一个度量。
监控所有发光带进行扫描激发就得到了整个材料的各种中心的吸收特征。
当然也可能存在另一个中心，B中心，吸收能量后把能量传给中心的情况(这种重叠发光的情况在后面详细讨论)．因此研究激发光谱也是研究不同中心能量输运的有效手段。
直接的吸收和激发技术虽然可以鉴别出不同的发光中心，但是前提是研究对象必须要发光．如果材料是粉末的，且不发光，这时可用光子计数的方法来确定吸收跃迁2．二、发光中心的对称性与跃迁性质确定了过渡金属离子的吸收和发射特征，就可以从这些跃迁的精细结构中得到有关离子位置对称性的信息。
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二、固体的磁化
1. 磁化强度
在外磁场作用下，介质中的原子磁矩将按一定规则排 列，因此原子磁矩不能完全抵消。 通常把固体中单位体积内的磁偶极矩的矢量和，称为 磁化强度，定义为
dPm M dV
在均匀的固体中，M或者与H平行，或者与H反平行。
2. 磁化率
在外磁场作用下，介质中的原子磁矩不能完全抵消， 从而使整体表现出磁性的现象，称为介质的磁化。 磁化强度是描述固体磁化程度的物理量，它与磁场强 度成正比。即
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（2）反铁磁体 在铁磁体中，某些物体内原子间的互作用量子力可以 使相邻离子（或原子）的磁矩方向相反，其磁矩排列方 式如图所示。因此，这类铁磁体整体不呈现磁性。 在外磁场作用下，这类材料表现为 特有的顺磁性，并具有显著的各向异 性。 这种在外磁场下呈现出顺磁性、且 具有显著各向异性的铁磁材料，称为 反铁磁体。 常见的反铁磁体都是过渡金属的化合物，如CRCl2、 MnO、NiO、CoO、FeF2、VCl3、V2O4等。
当温度高于铁磁居里温度Tc，铁磁体转变为顺磁体， 其磁化率满足居里—外斯定律
0C
T TP
式中，TP 称为顺磁居里温度，其数值略高于铁磁居里温 度Tc 。一些铁磁体的Tc和Tp值如下表所示。 材料 Tc(K) Tp (K) 材料 Tc(K) Tp (K) Fe 1043 1093 Dy 85 154 Co Ni Gd 1388 627 292 1428 650 317 Ho Er 20 20 85 42
2. 有序磁性介质
（1）铁磁体 铁磁体的磁化率是数值很大的正数，通常比顺磁体的 磁化率大5~6个数量级。 在铁磁体中，每个原子都有不满的 d 壳层引起的固有 磁矩。 由于相邻原子间的量子力学互作用，使各原子的固有 磁矩趋于排列平行，形成自发磁化，产生铁磁性。 铁磁体的磁化率也依赖外磁场强度。 此外，铁磁体的铁磁性只存在温度低于铁磁居里温度 Tc 的情况下。
顺磁体本质的特征是，物体中包含有浓度可观的因不 满原子壳层而具有固有磁矩的离子——顺磁离子。
在外磁场作用下，由顺磁离子形成的固有磁矩倾向于 与外磁场相同方向排列，所产生的总磁矩与外磁场方向 一致，从而表现出顺磁性。 金属中的每个自由电子有两个自旋态，具有有其自旋 磁矩。在没有外加磁场情况下，电子在这两个自旋态的 概率相等，总体上表现出没有磁矩。 在外磁场中，自旋磁矩方向与外磁场平行的状态被电 子占据的概率增大，因而总磁矩与外磁场方向一致。 同时，在外磁场中，电子轨道改变所产生的总抗磁磁 矩数值为总顺磁磁矩的三分之一。因此，大多数金属都 是顺磁体。 对于金属Cu，由于其离子实的抗磁磁矩超过其自由电 子气的顺磁磁矩而表现为抗磁性。
M H
式中，比例系数χ 称为磁化率。 磁化率是一个无量纲的物理量 ，它直接反映固体材料 被磁化的难易程度，是表示固体磁性的重要物理量 。
3. 磁导率
介质被磁化后，将形成等效的磁化电流，从而产生一 个附加的磁感应强度B1。 这个附加磁场与外磁场叠加，构成了介质中的宏观磁 感应强度
B B0 B1
第9章 固体的磁性
固体的磁性来源于各种荷电粒子的自旋运动及轨道运 动，研究固体磁性可以获得许多有关固体材料的物质结 构及固体中各种微观粒子间相互作用的信息。因此，固 体磁性材料在当前科学技术及国民经济中有着十分重要 的应用。
本章首先对固体磁性的实验现象作一般的论述，然后 分别说明产生这些磁性现象的原因。 最后，对铁磁性及反铁磁性的起源——粒子间互作用 的量子效应作简要介绍。
实验表明，附加磁感应强度与磁化强度成正比，即
B1 0 M
因为
B0 0 H
所以，由上述各式可得
B1 0 M 0 H B0
于是得介质中的宏观磁感应强度与外磁场的关系
B (1 ) B0 0 r H
式中
r 1
也是一个无量纲的物理量 ，称为相对磁导率 。
三、磁介质
根据磁化率的大小及正负，可把固体分成三类：抗磁 体、顺磁体和铁磁体。 下面是一些固体的磁化率。 抗磁体的磁化率 Bi Cu Ge -0.00018 -0.000008 顺磁体的磁化率 FeCl2 Pt 0.0036 0.0012 0.00026 铁磁体的磁化率 Fe Co Ni 1000 240 150
一、物质的磁性
物质的磁性来自构成物质的原子，原子的磁性又主要 来自原子中的电子。 原子中电子的磁性有两个来源： （1）电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为 自旋磁矩； （2）原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨 道磁性，称为轨道磁矩。
在原子中，核外电子带有负电荷，是一种带电粒子。 电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁 铁，具有N极和S极。 原子中的这些电子，如同很多 小磁铁绕原子核在旋转。 当原子中所有电子磁矩的矢量 和不为零时，将形成原子磁矩。 而当原子中所有电子磁矩可以相 互抵消时，则不存在固有的固体 磁矩。 在介质中，由于原子磁矩之间没有相互作用，它们无 规则排列，所以整体不呈现磁性。
抗磁体最本质的特征是，物体中所有原子（或离子） 都没有固有磁矩。
（2）顺磁体 磁化率很小且为正数的物体，称为顺磁体。 顺磁体具有以下特点： （a）尽管在外磁场中所产生的磁矩或磁化强度很小， 但由于与外磁场方向相同。所以，虽然顺磁体的磁化率 值很小，但比抗磁体的数值大。 （b）磁化率值依赖于外磁场强度。 （c）一般地，金属的磁化率值与温度无关，非金属性 顺磁体的磁化率则依赖于温度。
• 第1节 固体磁性的描述
• 物质的磁性 • 固体的抗磁性 • 固体的顺磁性
• 固体的磁化
• 磁介质
• 第2节 无序磁性介质的磁化
• 第3节 铁磁性及其理论
• 铁磁体基本特征• 分子场理论 • 交换作用理论 • 自旋波理论
• 第4节 反铁磁性与亚铁磁性
• 反铁磁性
• 习题
• 亚铁磁性
§3.1 固体磁性的描述
-0.0000095 NiSO4
Si He Xe-0.000004 -来自.000005 -0.00025
1. 无序磁性介质
（1）抗磁体 磁化率小于零的物体，称为抗磁体。 抗磁体具有以下特点： （a）由于在外磁场中所产生的磁矩或磁化强度很小， 并与外磁场方向相反。所以，抗磁体的磁化率值很小， 且为负数。 （b）磁化率值与外磁无关。 （c）磁化率值与温度无关。