高美珍 材料科学与工程导论-27.ppt

第二十一章光学特性 Why does the sky appear blue? How many miles of optical fibers have been installed worldwide to date? What does the acronym LASER stand for? What is a ruby laser made from? Dose the operation of a fluorescent tube light involve phosphorescence? 21.1引言(Introduction) 光学特性指材料对所承受的电磁辐射尤其是可见光的响应。本章首先讨论与电磁辐射本质以及电磁辐射与固体材料相互作用有关的基本原理和概念。然后考察金属和非金属材料的光学行为，包括吸收、反射和透射特性。最后几节概括发光、光导率和通过辐射和受激发射实现的光放大（激光），以及这些现象的实际应用和光纤维在通讯中的应用。 基本概念 21.2电磁辐射 经典理论认为，电磁辐射类似波动，由互相垂直的电场和磁场构成，电场和磁场与传播方向同时垂直（图21.1）。 电磁辐射波谱有很宽的范围，从?射线（放射性材料发射），波长为10-12 m (10-3 nm)，经过X射线、紫外线、可见光、红外光，最后到无线电波，波长可长达105 m。整个波谱用对数标度示于图21.2中。 图21.1 图21.2 在真空中，所有的电磁辐射以相同的速度传播，这一速度称为光速，大小为3×108 m/s 。光速c与真空电导率?0和真空磁导率?0有关： (21.1) 此外，电磁辐射的频率?和波长?是速度的函数， (21.2) 频率的单位是赫兹(hertz)(Hz)，1Hz =1个循环每秒。波谱（图21.2）中也包括了各种电磁辐射的频率范围。 从量子力学的角度解释电磁辐射更为简单。从量子力学角度出发，辐射不是由波动组成，而是由一组能量组成。这些能量称为光子(Photon)，光子的能量是量子化的或者只能具有特定值。 (21.3) 这里h是普适的常数，称为普朗克(Planck)常数，h=6.63×10-34 J-s。因此光子的能量与辐射的频率成正比，或者与波长成反比。 21.3光与固体相互作用 光由一种介质进入另一种介质（例如，由空气进入固体物质）发生几种现象。一部分光穿透介质(Transmission)；一部分光被吸收(Absorption)；还有一部分光在两种介质的界面被反射(Reflection)。入射到固体介质表面的光束的强度Io等于透射光IT、吸收光IA、反射光IR的强度之和： (21.4) 辐射强度的单位为瓦特(watts)每平方米，表示单位时间穿过与光传播方向垂直的单位表面的光的能量。 公式21.4的另一种形式是： (21.5) 其中T、A和R分别表示透射率（IT /IO）、吸收率（IA /IO）和反射率（IR /IO）。 能够透过光，吸收和反射很小的材料是透明(transparent)的，人们可以透过透明材料看见对面。光穿过半透明(translucent)材料时发生漫散射，即光在材料内部被散射，以至于透过这种材料，人们不能清楚地分辨物体。那些可见光透射不过去的材料是不透明(opaque)材料。 21.4光子和电子的相互作用 最重要的两种作用是电子极化和电子跃迁。 电子极化 电磁波的一个成分是快速振荡的电场（图21.1）。在可见光频率范围内，电场与每个原子周围的电子云相互作用，引起电子极化，或者说使得电子云相对原子核发生偏离。偏离方向与电场分量的方向相同。极化有两个结果：(1)一部分辐射能被吸收；(2)光穿过介质时减速。第二个结果就是折射。 电子跃迁 考虑一个孤立原子，电子的能级图如图21.3所示。吸收一个能量光子，电子可以从能量为E2的填充态激发到能量为E4的空态。电子发生的能量变化?E与辐射频率的关系为： (21.6) h是普朗克常数。很重要的几个概念包括：第一，因为原子的能量状态是分立的，在能级之间只存在特定的?E，因此只有与?E相应的频率的光子才能通过电子跃迁被原子吸收。而且每次激发将吸收一个光子的能量。 21.3 第二个重要的概念是激发电子不能在激发态无限停留，停留一段时间后，电子将回到或者衰