散射前后光的波长或光子能量

2
2
2
接近垂直入射
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根据能量守恒定律,
透射系数为：
W '' W' 1 1 m W W
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设一块n=1.5的玻璃m=0.04，1-m=0.96，其折射光又从 另一界面射入空气，即透过两个界面，则透过部分为 (1-m)2=0.922；若连续透过x块平板玻璃，则透过部分 为(1-m) 2x。由于一般玻璃、陶瓷的折射率比空气大， 故反射显著。
人眼最为敏感的光是黄绿光，即 555nm 附近。
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光与固体相互作用的本质有两种方式：
电子极化 电子能态转变
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电子极化
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移；
光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。
• 材料的折射率从本质上讲，反映了材料的
电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）
在光波作用下的极化性质或介电特性。
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正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波 的步伐，才使得其传播速度变得比真空中 慢。
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折射率的影响因素
构成材料元素的离子半径。大离子可提高n，小 离子可构成低n的材料。如：PbS n=3.912, SiCl4
n=1.412。 材料的结构、晶型。
根据光线通过材料的表现，把介质分为均质介质和非均 质介质。非晶态(无定型体)和立方晶体结构，当光线通 过时，光速不因入射方向而改变，故材料只有一个折射 率，称为均质介质。除立方晶体外的其他晶型都属于非 均质介质，其特点是光进入介质时产生双折射现象。
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。
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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
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 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： ∆E=hν 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，同时发射出电磁 波，即自发辐射。
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双折射现象使晶体有两个折射率：其一是服
从折射定律的寻常光的折射率。不论入射方
向怎样变化，始终为一常数；而另一折射光
的折射率随入射方向而改变，称为非寻常光
的折射率。
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材料存在的内应力
有内应力的透明材料，垂直于存在的主应力方向
的n值大，平行于主应力方向的n值小。 同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低， 低温时存在的晶型折射率较高。例如：常温下的 石英玻璃n＝1.46,常温下的石英晶体n＝1.55；高 温时，鳞石英n＝1.47，方石英n＝1.49。可见，
若透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更大，为 减小这种界面反射损失，常采用折射率与玻璃相近的 胶将它们粘起来，使得除了最外和最内的表面是玻璃 和空气的相对折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的 较小的相对折射率，从而大大减小界面的反射损失。
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设光的总能量流为
W W ' W ''
式中，W，W’， W’’分别为单位时间通过单位面积 的入射光、反射光和折射光的能量流。
反射系数 m
W ' n21 1 n2 n1 n1 n2 m W n21 1 n2 n1 n1 n2
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光的折射与反射
光子进入材料，其能量将受到损失，故光子的速 度将发生改变。当光从真空进入较致密的材料时，
其传播速度降低，光在真空中的速度v真空与材料
的速度v材料之比，称为材料的折射率n
v真空 c 1 n v材料 v材料
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材料2相对于材料1的相对折射率
sin n21 sin n2 v1 n1 v2
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可见光七彩颜色的波长和频率范围 光色 波长(nm) 红 760~622 橙 622~597 频率(Hz) 中心波长 (nm) 660 610
3.9 1014 ~ 4.8 101ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 4.8 1014 ~ 5.0 1014 5.0 1014 ~ 5.4 1014
材料物理基础
宋 晔
5 材料的光学
光学现象是材料的一个重要特性，材料 的光学性能被人们极为广泛地利用。材 料对可见光的不同吸收和发射性能使世 界缤纷多彩。玻璃、塑料、金属、晶体
和陶瓷都可以成为光学材料。
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5.1 材料的透光性
光与固体材料的相互作用 对人眼睛敏感的可见光(visible light)谱的波长 λ= 380~760 nm，仅是电磁波谱(λ=10-5~l0-15 m) 中的一小部分，其颜色决定于光的波长。

反射定律
三线共面；反射角等于入射角
折射定律
三线共面；
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根据Maxwell电磁场理论，光在介质中的 传播速度： c
v

因此
n
而一般材料（非铁磁性材料）
1
则
n
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• 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；
黄 597~577
绿 577~492 青 492~470
570
540 480
5.4 1014 ~ 6.1 1014
6.1 1014 ~ 6.4 1014
蓝 470~455
紫 455~400
6.4 1014 ~ 6.6 1014
6.6 1014 ~ 7.5 1014
460
430
常温下的石英晶体n最大。
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光的反射与折射图
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反射系数和透射系数 根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件 可以得到光波在反射前后和折射前后的能 量变化规律。反射光的功率对入射光的功 率之比称为反射系数(反射比)。经过折射 进入第二介质的光为透射光，透射光与入 射光功率之比称为透射系数。