第五章 材料的光学性质.
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2019/1/7
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• • • 1.
透明材料：τ 大，α 、ρ小； 半透明材料：透过时发生漫散射； 不透明材料:τ 极小的材料。 金属对整个可见光谱都是不透明的， 即所有可见光的入射不是被吸收，就 是被反射； 2. 所有的电绝缘材料都可能制成透明材 料； 3. 半导体材料中有些是透明的，有些是 不透明的。
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§5-2 金属的光学性质
• • • • 一、金属对可见光的不透明性 P149 图4.5 金属对可见光是不透明的。 只要厚度大于0.1um，就可吸 收全部光能，只有厚度小于 0.1um的金属箔才可能透光。 • 无禁带，而且费米能级以上有 许多空能级。 • 事实上，金属对所有的低频电 磁波（从无线电波到中紫外线） 都是不透明的，只有对高频电 磁波，如γ 射线，X射线才是透 明的。
2019/1/7
• 二、良好的反射性 • 大多数金属的反射率ρ=0.9~0.95。 • 利用这一性质可在其他材料的衬底上镀制金属膜做成反光镜---reflector. • P150 图4.6
• 肉眼看到的金属颜色不是由吸收的波长决定，而是由反射光的 波长决定的。 • 在白光照射下，表现为银色的金属（Ag、Al），表面反射出来 的光也是由各种波长的可见光混合组成的； • 其他颜色的金属（如Cu为桔红色、金为黄色）表面反射出来的 可见光中以某种波长的可见光为主要成分。
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• •
（二）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 一能态的过程。 • 如 E h 42 • 这里必须明确的几个概念： 1. 原子中的电子能级是分立的，能级间只有特定的 Δ E。因此只有能量为Δ E的光子才能被该原子通过 电子能态改变而吸收； 2. 在每一次激发中，每个光子的能量将全部被吸收； 3. 受激电子不可能无限长时间保持激发状态，经过一 个短时间后，它会衰变回基态，同时发生出电磁波。 衰变途径不同，发出的电磁波的频率不同。
第五章 材料的光学性能
P143第四章
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1. 光是一种电磁波 2. 可见光的频率范围：4.2*1014~7.5*1014Hz 3. 可见光作用在固体上：宏观上出现反射、 折射、透射和吸收等现象；微观上则引起 组成材料的原子发生电子极化和（或）电 子能态的变化。 4. 从材料的电子能带结构出发，揭示材料的 光学性质的本质。
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• 由于光速减小是由电子极化引起，因而组成原子或离 子的大小对光速的影响很大，一般来说,原子或离子尺 寸越大，则电子极化程度愈高，光速越慢，折射率越 高。 • 普通玻璃n=1.5，含PbO90%的n=2.1。 • P146 表4.1。
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• 二、反射
当光线垂直入射时，反 射率为 n2 n1 n2 n1 在非垂直入射的情况下 ，反射率与入射角有关 。 当光线从真空或空气中 垂直入射到固体表面时 ns 1 n 1 s 因此，固体材料的折射 率越高，反射率也越大 。 同时，由于固体材料的 折射率与入射光的波长 有关，
0 0
• C与电磁波频率ν 和波长λ 之间的关系为：C=λ ν
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• 二、光的波粒二象性 • 从量子力学理论可知：电磁波具有波粒二象性， 电磁辐射可看成一系列能量量子----光子组成。 光子的能量是量子化的，即
E h hc
• 三、光和固体的相互作用
,
h 6.63 10 34 J.S
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§5-3 非金属材料的光学性质
• 一、折射
折射率n c v 介质中光线的传播速度 v 1 c 因此n v 1 1
r r r
0 0
0 0
对于大多数非金属 r 1 ，所以n
可见，测定了透明材料 的折射率，便可知 材料的电子极化对介电 常数的贡献。
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§5-1 基本概念
• 一、电磁辐射 1. 从经典意义上讲，电磁辐射是一种波，由 电场分量和磁场分量组成，两个分量相互 垂直，并都垂直于波的传播方向。 2. 光（可见光）、热（辐射能）、雷达、无 线电波、X射线等都是电磁波，他们之间 的差别就是波长（频率）范围不同。 3. 电磁波包括的波长范围很宽，从10-12m到 105m，按波长增加的次序，可分为：
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电磁 波 λ /m
γ 射 线
10-10~10-14
X射线 紫外 线
10-8~10-12 10-6~10-9
可见 光
0.4~0.7*10-6
源自文库
红外 微波 线
10-2 ~0.4*10-6 100~2*10-2
射频 TV
105~101
• 4.可见光是人肉眼能感知的电磁波，只占整个电磁波的 很窄波段；光线的颜色取决于波长。例如0.4um紫色， 0.4~0.5um蓝色，0.5um绿色，0.5~0.6um黄色，0.6um 橙色，0.65um红色。白光是各种带色光的混合光。 • 5.电磁波在真空中的传播速度都是C=3*108m/s。 • C与真空介电常数ε 0和真空磁导率μ0之间的关系为： 1 c
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• 固体中出现的光学现象是电磁辐射与固体 材料中原子、离子和电子之间相互作用的 结果。最重要的两种作用是电子极化和电 子能态的改变。 （一）电子极化 在可见光频率范围内，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，即造成电子云和原子核的 电和中心发生相对位移。其结果：当光线 通过介质时，一部分能量被吸收，同时光 线速度减小，后者导致折射。
0 T A R 光辐射能流率 , 单位为W.m .
2
表示单位时间内通过单 位面积
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（与光线传播方向垂直 ）的能量。
• 上述公式也可写成如下形式：
1 , , 分别为透射率、吸收率 、反射率。 T A ， ， R 。 0 0 0
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• • • 1.
透明材料：τ 大，α 、ρ小； 半透明材料：透过时发生漫散射； 不透明材料:τ 极小的材料。 金属对整个可见光谱都是不透明的， 即所有可见光的入射不是被吸收，就 是被反射； 2. 所有的电绝缘材料都可能制成透明材 料； 3. 半导体材料中有些是透明的，有些是 不透明的。
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§5-2 金属的光学性质
• • • • 一、金属对可见光的不透明性 P149 图4.5 金属对可见光是不透明的。 只要厚度大于0.1um，就可吸 收全部光能，只有厚度小于 0.1um的金属箔才可能透光。 • 无禁带，而且费米能级以上有 许多空能级。 • 事实上，金属对所有的低频电 磁波（从无线电波到中紫外线） 都是不透明的，只有对高频电 磁波，如γ 射线，X射线才是透 明的。
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• 二、良好的反射性 • 大多数金属的反射率ρ=0.9~0.95。 • 利用这一性质可在其他材料的衬底上镀制金属膜做成反光镜---reflector. • P150 图4.6
• 肉眼看到的金属颜色不是由吸收的波长决定，而是由反射光的 波长决定的。 • 在白光照射下，表现为银色的金属（Ag、Al），表面反射出来 的光也是由各种波长的可见光混合组成的； • 其他颜色的金属（如Cu为桔红色、金为黄色）表面反射出来的 可见光中以某种波长的可见光为主要成分。
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• •
（二）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 一能态的过程。 • 如 E h 42 • 这里必须明确的几个概念： 1. 原子中的电子能级是分立的，能级间只有特定的 Δ E。因此只有能量为Δ E的光子才能被该原子通过 电子能态改变而吸收； 2. 在每一次激发中，每个光子的能量将全部被吸收； 3. 受激电子不可能无限长时间保持激发状态，经过一 个短时间后，它会衰变回基态，同时发生出电磁波。 衰变途径不同，发出的电磁波的频率不同。
第五章 材料的光学性能
P143第四章
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1. 光是一种电磁波 2. 可见光的频率范围：4.2*1014~7.5*1014Hz 3. 可见光作用在固体上：宏观上出现反射、 折射、透射和吸收等现象；微观上则引起 组成材料的原子发生电子极化和（或）电 子能态的变化。 4. 从材料的电子能带结构出发，揭示材料的 光学性质的本质。
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• 由于光速减小是由电子极化引起，因而组成原子或离 子的大小对光速的影响很大，一般来说,原子或离子尺 寸越大，则电子极化程度愈高，光速越慢，折射率越 高。 • 普通玻璃n=1.5，含PbO90%的n=2.1。 • P146 表4.1。
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• 二、反射
当光线垂直入射时，反 射率为 n2 n1 n2 n1 在非垂直入射的情况下 ，反射率与入射角有关 。 当光线从真空或空气中 垂直入射到固体表面时 ns 1 n 1 s 因此，固体材料的折射 率越高，反射率也越大 。 同时，由于固体材料的 折射率与入射光的波长 有关，
0 0
• C与电磁波频率ν 和波长λ 之间的关系为：C=λ ν
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• 二、光的波粒二象性 • 从量子力学理论可知：电磁波具有波粒二象性， 电磁辐射可看成一系列能量量子----光子组成。 光子的能量是量子化的，即
E h hc
• 三、光和固体的相互作用
,
h 6.63 10 34 J.S
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§5-3 非金属材料的光学性质
• 一、折射
折射率n c v 介质中光线的传播速度 v 1 c 因此n v 1 1
r r r
0 0
0 0
对于大多数非金属 r 1 ，所以n
可见，测定了透明材料 的折射率，便可知 材料的电子极化对介电 常数的贡献。
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§5-1 基本概念
• 一、电磁辐射 1. 从经典意义上讲，电磁辐射是一种波，由 电场分量和磁场分量组成，两个分量相互 垂直，并都垂直于波的传播方向。 2. 光（可见光）、热（辐射能）、雷达、无 线电波、X射线等都是电磁波，他们之间 的差别就是波长（频率）范围不同。 3. 电磁波包括的波长范围很宽，从10-12m到 105m，按波长增加的次序，可分为：
2019/1/7
电磁 波 λ /m
γ 射 线
10-10~10-14
X射线 紫外 线
10-8~10-12 10-6~10-9
可见 光
0.4~0.7*10-6
源自文库
红外 微波 线
10-2 ~0.4*10-6 100~2*10-2
射频 TV
105~101
• 4.可见光是人肉眼能感知的电磁波，只占整个电磁波的 很窄波段；光线的颜色取决于波长。例如0.4um紫色， 0.4~0.5um蓝色，0.5um绿色，0.5~0.6um黄色，0.6um 橙色，0.65um红色。白光是各种带色光的混合光。 • 5.电磁波在真空中的传播速度都是C=3*108m/s。 • C与真空介电常数ε 0和真空磁导率μ0之间的关系为： 1 c
2019/1/7
• 固体中出现的光学现象是电磁辐射与固体 材料中原子、离子和电子之间相互作用的 结果。最重要的两种作用是电子极化和电 子能态的改变。 （一）电子极化 在可见光频率范围内，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，即造成电子云和原子核的 电和中心发生相对位移。其结果：当光线 通过介质时，一部分能量被吸收，同时光 线速度减小，后者导致折射。
0 T A R 光辐射能流率 , 单位为W.m .
2
表示单位时间内通过单 位面积
2019/1/7
（与光线传播方向垂直 ）的能量。
• 上述公式也可写成如下形式：
1 , , 分别为透射率、吸收率 、反射率。 T A ， ， R 。 0 0 0