第五章--材料的光学性质.教学内容
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第五章 材料的光学性能
P143第四章
2020/4/22
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。
，反射率与入射角有关 垂直入射到固体表面时
率越高，反射率也越大 折射率与入射光的波长 关。
。
。 有关，
• 三、吸收
非金属材 透 料明 有 无色 色 可见光
不透明
• 非金属对光的吸收有下列三种机理： 1. 电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒
数处于同一数量级时，这一效应才变得重要。 2. 电子受激吸收光子而越过禁带。 3. 电子受激吸收光子进入位于禁带中的杂质或缺陷
2020/4/22
• （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 Eh 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 ΔE。因此只有能量为ΔE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；
2020/4/22
§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
因此 n c v
1
0 0
1
0 0
r r
对于大多数非金属
r 1，所以 n r
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Fra Baidu bibliotek贡献。
2020/4/22
• 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。
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。
2020/4/22
• 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。
• 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----
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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 红外 光线
0.4~0.7*10-6 10-2 ~0.4*10-6
微波
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。
• 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
n2
n1
2
n2 n1
在非垂直入射的情况下
当光线从真空或空气中
2
ns ns
1 1
因此，固体材料的折射
同时，由于固体材料的
因此反射率也与波长有
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射率为
R 0。
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• 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。 1. 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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§5-1 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：
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。
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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。
• 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ε0和真空磁导率μ0之间的关系为：
c
1
0 0
• C与电磁波频率ν和波长λ之间的关系为：C=λν
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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
能级上。
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h
Ehh ,c h6.6 3 13 0J4 .S
• 三、光和固体的相互作用
0 T A R 光辐射能流率 ,单位为W.m2.
表示单位时间内通过位单面积
（与光线传播方向垂）直的能量。
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• 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 0，
A 0，
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。
，反射率与入射角有关 垂直入射到固体表面时
率越高，反射率也越大 折射率与入射光的波长 关。
。
。 有关，
• 三、吸收
非金属材 透 料明 有 无色 色 可见光
不透明
• 非金属对光的吸收有下列三种机理： 1. 电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒
数处于同一数量级时，这一效应才变得重要。 2. 电子受激吸收光子而越过禁带。 3. 电子受激吸收光子进入位于禁带中的杂质或缺陷
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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 Eh 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 ΔE。因此只有能量为ΔE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；
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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
因此 n c v
1
0 0
1
0 0
r r
对于大多数非金属
r 1，所以 n r
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Fra Baidu bibliotek贡献。
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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。
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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• 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。
• 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。
2020/4/22
• 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----
2020/4/22
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 红外 光线
0.4~0.7*10-6 10-2 ~0.4*10-6
微波
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。
• 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
n2
n1
2
n2 n1
在非垂直入射的情况下
当光线从真空或空气中
2
ns ns
1 1
因此，固体材料的折射
同时，由于固体材料的
因此反射率也与波长有
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射率为
R 0。
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• 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。 1. 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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§5-1 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：
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。
2020/4/22
§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。
• 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ε0和真空磁导率μ0之间的关系为：
c
1
0 0
• C与电磁波频率ν和波长λ之间的关系为：C=λν
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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
能级上。
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h
Ehh ,c h6.6 3 13 0J4 .S
• 三、光和固体的相互作用
0 T A R 光辐射能流率 ,单位为W.m2.
表示单位时间内通过位单面积
（与光线传播方向垂）直的能量。
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• 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 0，
A 0，