第6章材料的光澤與顏色

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論6.2材料與光的相互作用6.3金屬與非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)

本章內(nèi)容

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論6.1.1能帶理論簡(jiǎn)述材料的光學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部電子的能量狀態(tài)及電子躍遷有密切的關(guān)系。例如原來的N個(gè)相同的1s能級(jí)，現(xiàn)在分裂成N個(gè)能量差別極微小的能級(jí)，構(gòu)成一個(gè)能帶，即電子的共有化運(yùn)動(dòng)使電子能級(jí)分裂為能帶。

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論能帶的形成還與晶體原子間距有關(guān)。原子間距大，相互作用小，分裂小而原子間距小，分裂就大。

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論(2)導(dǎo)帶和價(jià)帶OK時(shí)，所有電子均處于最低能量狀態(tài)。滿帶：全部充滿電子的能帶價(jià)帶：能量值最高的滿帶，通常被價(jià)電子所占據(jù)空帶：全空的能帶導(dǎo)帶：能量值最低的空帶禁帶：導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的電子能級(jí)不存在的區(qū)段

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論大多數(shù)金屬的價(jià)帶沒有被電子占滿，而且常有價(jià)帶與導(dǎo)帶重疊的情況。絕緣體的價(jià)帶剛好被電子占滿，導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的禁帶很寬，電子不容易依靠熱激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相似，只是禁帶較窄，電子容易受激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶。

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論(3)定域能級(jí)雜質(zhì)原子和缺陷的存在破壞了原來完整的晶格周期性。在這些晶格周期性遭到破壞的地方，有可能在禁帶中產(chǎn)生一些特殊的能量狀態(tài)，稱為“束縛態(tài)”。即當(dāng)部分電子(或空穴)被束縛在這些地區(qū)附近時(shí)，它們的能量值可能落在禁帶中，形成一些新的特殊能級(jí)，故稱這些被束縛的電子(或空穴)的特殊狀態(tài)的能級(jí)為定域能級(jí)，或局部能級(jí)。

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論由多余價(jià)電子引起的定域能級(jí)又稱施主能級(jí)，這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。這種能接受價(jià)帶中價(jià)電子的定域能級(jí)稱為受主能級(jí)。

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論6.1.2光譜簡(jiǎn)述根據(jù)頻率由低到高的順序，電磁波譜包括無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X射線、γ射線及宇宙射線。

6.1有關(guān)的基礎(chǔ)理論6.1.2光譜簡(jiǎn)述根據(jù)頻率由低到高的順序，電磁波譜包括無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X射線、γ射線及宇宙射線。

6.2材料與光的相互作用對(duì)于給定波長(zhǎng)的光輻射，可認(rèn)為是由一些光子構(gòu)成的。光子的重要特性是其能量、波長(zhǎng)和頻率之間有關(guān)系為:光輻射具有波粒二象性

6.2材料與光的相互作用6.2.1光的折射和色散當(dāng)光從真空進(jìn)人較致密的材料時(shí)，其速度降低，引起光的偏折，這種現(xiàn)象稱為光的折射。引起光速變慢的原因是光波中的電場(chǎng)引起介質(zhì)極化。

6.2材料與光的相互作用

6.2材料與光的相互作用6.2.2光的反射與表面光澤反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比，稱為反射率。其值與入射光的彼長(zhǎng)，介質(zhì)的種類有關(guān)，入射角越大，表面故光潔及光的吸收越小，垂直入射時(shí)：

6.2材料與光的相互作用6.2.2光的反射與表面光澤固體的折射率大，反射率就大，反之亦然。這意味著在光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)折射率增大時(shí)，反射損失增加。在有些光學(xué)工程應(yīng)用中，希望強(qiáng)折射和低反射相結(jié)合。實(shí)現(xiàn)這一目的通常采用表面涂層技術(shù)。

6.2材料與光的相互作用大多數(shù)材料的表面并不是完全光滑的，因此，在表面上產(chǎn)生大量各個(gè)方向的漫反射，隨著表面粗糙度增大，鏡面反射量逐漸減少，漫反射量增大。鏡面反射的反射光線具有較強(qiáng)的方向勝，因而有較亮的光澤。

6.2材料與光的相互作用6.2.3光的吸收和顏色（1）光的吸收(2)材料的顏色

6.2材料與光的相互作用6.2.3光的吸收和顏色

固體材料對(duì)光的吸收機(jī)理是:當(dāng)光通過固體時(shí)，外層電子獲得能量，從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷，即電子吸收了光子的能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。電子躍遷的形式有以下4種:①禁帶躍遷(直接躍遷)。②由于晶體缺陷引起的電子躍遷。③過渡金屬、稀土或其他未填滿電子殼層離子的內(nèi)部電子躍遷。④電子從一個(gè)離子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)離子的電荷轉(zhuǎn)移過程。

6.2材料與光的相互作用6.2.4發(fā)光（1）材料的發(fā)光現(xiàn)象一般無機(jī)固體從外界吸收能量使電子處于激發(fā)態(tài)后(從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶)，又會(huì)自發(fā)地衰減到基態(tài)(回到價(jià)帶)，所吸收的能量或以熱的形式傳遞給晶格，或以電磁輻射的形式發(fā)射出來。若發(fā)射出來的是可見光或近似可見光，則稱這種現(xiàn)象為發(fā)光。為了區(qū)別物質(zhì)在高溫下所發(fā)出的光，有時(shí)也稱這種光為冷光。(2)固體材料的發(fā)光原理材料能否發(fā)光，發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短均與其能帶結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。6.3金屬與非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)6.3.1金屬的光學(xué)性質(zhì)金屬具有不透明性和高反射率，即吸收系數(shù)a和反射率R都很大。這是由于金屬的價(jià)帶與導(dǎo)帶重疊(無能隙)，使得電子已填充的能級(jí)上方有許多空能級(jí)，所以頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可將電子激發(fā)到能量較高的空能級(jí)中。金屬在白色光線下所呈現(xiàn)的顏色將取決于這種發(fā)射波的頻率。6.3金屬與非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)6.3.2非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)(1)非金屬材料的透明性非金屬是否透明取決于其能帶結(jié)構(gòu)。絕緣體基本上對(duì)可見輻射透明，因?yàn)榻^緣體具有相當(dāng)寬的禁帶，以致可見光不足以引起電子激發(fā)。在多相材料中，由于折射率在相界發(fā)生不連續(xù)的變化，光線會(huì)被相界反射或散射。這種內(nèi)反射和散射造成光線的漫透射。許多純的共價(jià)固體和離子固體，本質(zhì)上是透明的，但往往由于加工過程中在其內(nèi)部形成孔而變得不透明。許多半導(dǎo)體材料吸收可見光，因而是不透明的。6.3金屬與非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)6.3.2非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)(2)非金屬材料的顏色當(dāng)材料的禁帶寬度相應(yīng)于可見光區(qū)域的某一光子頻率時(shí)，往往呈現(xiàn)特殊的顏色。無機(jī)玻璃、食鹽、氧化鋁和金剛石等無色透明材料，都可通過摻人雜質(zhì)離子