材料物理与力学性能光学41.ppt

设入射固体表面的光辐射能流率为φ0，透过、吸收和反射光的光辐射能流率为φτ， φA ，φ R，则有 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； 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。 例：一材料含气孔0.2%（体积），平均d=4μm，试验所得散射因子K=2～4，则散射系数 如果此材料厚为3mm，I=I0e-1.5×3 =0.011I0。剩余光能只为1％左右，可见气孔对透光率影响之大。 ②气孔尺寸 一般陶瓷材料的气孔直径大约在1μm，均大于可见光的波长(λ=0.39～0.79μm)，所以计算散射损失时应采用公式S=K×3V/4R。 散射因子K与相对折射率n21有关。而气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射率n2，数值较大，所以K值也较大。气孔尺寸小，散射损失较小。 假如上例中只剩下平均d=0．Olμm的微小气孔， 情况就有根本的变化。 此时，A12O3陶瓷的平均dλ/3(λ设为可见光的波长)，符合瑞利散射条件。此时，即使气孔体积含量高达0.63％，陶瓷也是透光的。 提高材料透光性的措施 1）提高原材料纯度 2）掺加外加剂 目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。 增加A1203陶瓷透明性的常用外加剂 MgO ，Y2O3，La2O3 外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。 3）工艺措旋 排除气孔 使晶粒定向排列 透明材料的颜色和着色原理 1）透明材料的颜色 蓝宝石 红宝石 无色 红色 蓝宝石是三氧化二铝单晶，在整个可见光范围内，光的波长分布很均匀，因此是无色的。 红宝石是在这种单晶氧化物加入少量的Cr2O3。在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级，造成了不同于蓝宝石的选择性吸收，即对波长约为0.4μm的蓝紫色光和波长约为0.6μm的黄绿光有强烈的选择性吸收，而非吸收光和重新发射的光波决定了其呈红色。 电子受激跃迁导致(选择)吸收。 电子从激发态回到低能态时，重新发射出光子，其波长并不一定与吸收光的波长相同。 透射光的波长分布是非吸收光波和重新发射的光波的混合波。 透明材料的颜色是由混合波的颜色决定的。 透明材料颜色产生机制 上述光与物质的相互作用在可见光范围内产生才能有颜色，否则为无色。 2）无机非金属材料的着色 颜料有两大类：分子(离子)着色剂和胶态着色剂。 显色机制就是由于着色剂对光的选择性吸收而引起的选择性反射或选择性透射，从而显现特定的颜色 离子着色 根据材料中离子的光吸收，价态等与电子层结构的关系，可把常见离子大致划分为四种类型。 1）惰性气体阳离子 其电子层结构与周期表中邻近的惰性气体相似。 这一类离子中的电子自旋总和等于零。量子力学表明，这类离子中电子状态比较稳定，因此需要较大的能量才能激发电子进上层轨道，可见光的能量不足以使其激发，这就需要吸收波长较短的量子来激发外层电子，因而造成了紫外区的选择性吸收，对可见光则无影响，因此往往是无色的。 Cr+,Ba2+,La3+, Xe（氙） 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6 Rb+,Sr2+,Y3+,Zr4+ Kr（氪） 1s22s22p63s23p63d104s24p6 K+,Ca2+,Sc3+,Ti4+ Ar（氩） 1s22s22p63s23p6 Na+,Mg2+,Al3+,Si4+ Ne（氖） 1s22s22p6 Li+，Be2+，B3+，C4+ He（氦） 1s2 阳离子 惰性 电子层结构 2）过渡金属离子 过渡元素的次外层有未成对的d电子，即具有dxs0p0或d10s0p0结构的离子，外层电子充满，次外层不饱和。其中x=1-5或6-9时，在3d亚层上都有未配对的电子，所以不稳定。电子跃迁所需要的能量Eg较小，可见光谱范围内的能量足够，故显色。当x=5时，半充满，色弱；x=0，10，全空，或全充满时，无色。 3）稀土元素（镧系元素） 镧系元素的第三外层含未成对的f电子，即具有fxd0s0p0结构，在4f层有未充满（即不配对）的电子，所以也是着色离子。它们较不稳定，能量较高，需要较少的能量即可激发，故能选择吸收可见光。 4）外层具有18或18+2电子的阳离子 这类离子极化率大，但从电子分布来看，每个轨道上也都有两个电子，所以相对较稳定，但不及惰性气体型离子。它们的特点是极化率大，变价，所以本身不着色。但其化合物在近紫外的光谱上有所吸收。这种离子易被还原，如Au，Ag，Cu。 化合