【正文】 02 ? 各種形式的電磁波在真空中傳播的速度為 3 108m／ s，以 c表示。 c與真空介電常量 ε0(electric permittivityof a vacuum))和真空磁導(dǎo)率 μ0(the magic permeability of a vacuum)的關(guān)系為 ? （ 32 ） ? ? 當(dāng)光在介質(zhì)中傳播時，其速度 v由下式?jīng)Q定： （ 33） c為真空中光的速度； εr為介質(zhì)的相對介電常量； μr為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。 Chapter3 Properties of Materials 103 ? 盡管人們對光的本性有了全面認(rèn)識，但這并不排除經(jīng)典理論在一定范圍內(nèi)的正確性。在涉及光傳播特性的場合，只要電磁波不是十分微弱，經(jīng)典的電磁波理論還是完全正確的。當(dāng)涉及光與物質(zhì)相互作用并發(fā)生能量、動量交換的問題時，才必須把光當(dāng)做具有確定能量和動量的粒子流來看待。 Chapter3 Properties of Materials 104 Chapter3 Properties of Materials 105 圖 33 光子與固體介質(zhì)的作用 光通過固體現(xiàn)象： 當(dāng)光從一種介質(zhì)近人另一種介質(zhì)時，例如從空氣進(jìn)人固體中，一部分透過介質(zhì)，一部分被吸收，一部分在兩種介質(zhì)的界面上被反射．還有一部分被散射。 光的吸收和透過 ? 設(shè) 入射到材料表面的光輻射能流率為 υ0，透過、吸收、反射和散射的光輻射能流率分別為 υτ、 υA、 υR、 υσ，則 （ 34） ? 光輻射 能流率的單位為 W／ m2，表示單位時間內(nèi)通過單位面積 (與光傳播方向垂直的面積 )的能量。 ? 若用 υ0除 (34)式的等式二邊，則得 ? （ 35） 式 中： T稱為透射系數(shù)； α稱為吸收系數(shù)； R稱為反射系數(shù)；σ稱為散射系數(shù) 。 Chapter3 Properties of Materials 106 Chapter3 Properties of Materials 107 從微觀上分析，光子與固體材料相互作用，實際上是光子與固體材料中的原子、離子、電子等的相互作用，出現(xiàn)以下的二種重要結(jié)果。 (1)電子極化 (Electronic Polarization) 電磁輻射的電場分量，在可見光頻率范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中的每一個原子都發(fā)生作用，引起電子極化，即造成電子云和原子核電荷重心發(fā)生相對位移。其結(jié)果是，當(dāng)光線通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時光波速度被減小，導(dǎo)致折射產(chǎn)生。 ? (2)電子能態(tài)轉(zhuǎn)變 (Electron Transition) 光子被吸收和發(fā)射，都可能涉及到固體材料中電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變，如圖34所示。該原子吸收了光子能量后，可能將 E2能級上的電子激發(fā)到能量更高的 E4空能級上，電子發(fā)生的能量變化 ΔE與電磁波的頻率有關(guān)： ? （ 36） ? 式中： h為普朗克常量，、 ν42為入射光子的頻率。注意原子中電子能級是分立的，能級間存在特定的 ΔE。因此，只有能量為 ΔE的光子才能被該原子通過電子能態(tài)轉(zhuǎn)變而吸收。其次，受激電子不可能無限長時間地保持在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后，它又會衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波。衰變的途徑不同，發(fā)射出的電磁波頻率就不同。 Chapter3 Properties of Materials 108 Chapter3 Properties of Materials 109 圖 34孤立原子吸收光子后電子態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖 Chapter3 Properties of Materials 110 ? 金屬材料：不透明； ? 半導(dǎo)體和其它非金屬材料： 取決于能隙 Eg； ? 晶格熱振動：對長波區(qū)的可見光和紅外光產(chǎn)生吸收； ? 高分子材料：無定形透明，結(jié)晶影響透明性（晶粒對光的散射） 3 4 8 11 8 196 . 6 2 1 0 ( J s ) 3 1 0 ( m s ) 1 2 4 0( e V ) = 6 . 2 4 2 1 0 ( e V J )( n m ) 1 0 ( n m ) 3 8 0 n m 3 .2 6 e VhcE? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ? ???電子伏特 （ electron volt），符號為 eV，是能量的單位。代表一個電子（所帶電量為 1019C）經(jīng)過 1伏特的電位差加速后所獲得的動能。 電子伏特與 SI制的能量單位焦耳（ J）的換算關(guān)系是 1 eV = (35) 1019 J Chapter3 Properties of Materials 111 幾種無機(jī)材料的光透過曲線 Chapter3 Properties of Materials 112 ? 金屬材料：強(qiáng)反射（金屬光澤）； – 電子吸收光能后激發(fā)到較高能態(tài)，隨即又以光波的形式釋放出能量回到低能態(tài) ? 無機(jī)非金屬材料： 主要受介質(zhì)的折射率差影響； – 當(dāng)光線從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)時，介質(zhì)的折射率差別越大，反射就越強(qiáng)。 ? 材料的折射率受其結(jié)構(gòu)影響 – 單位體積中原子的數(shù)目越多，或結(jié)構(gòu)越緊密，則光波傳播受影響越大，從而折射率越大。 – 原子半徑越大 (極化率大），折射率就越大。 光的反射和折射 幾種金屬材料的反射率隨光波波長變化曲線 Chapter3 Properties of Materials 113 Chapter3 Properties of Materials 114 ? 金屬材料：顏色取決于其反射光的波長； ? 無機(jī)非金屬材料： 顏色通常與光吸收特性有關(guān)； 材料的顏色 本章參考書： 1. 劉光華編著 . 現(xiàn)代材料化學(xué) . 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 2022 2. H. Czichos, T. Saito, L. Smith. Springer Handbook of Materials Measurement Methods. German, Springer, 2022 3. Brian S. Mitchell. An Introduction to Materials Engineering and Science. USA, John Wiley amp。 Sons, 2022. 4. Michel W Barsoum. Fundamentals of Ceramics. London, IOP Publishing, 2022 5. William D, Callister J. Materials science and engineering: An introduction. 5th Ed. , USA, John Wiley amp。 Sons, 1999 6. W. F. Smith. Foundations of materials science and engineering. New York, McGrawHill Book Co., 1992 7. B. D. Fahlman. Materials Chemistry. German, Springer, 2022 8. Anthony R. West. Basic Solid State Chemistry. USA, John Wiley amp。 Sons, 2022 9. Lesley E. Smart, Elaine A. Moore. Solid State ChemistryAn introduction. Taylor amp。 Francis, 2022. 115 Chapter3 Properties of Materials 116 用固體能帶理論說明什么是導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體？ Electrical property 滿帶：充滿電子的能帶 空帶：部分充滿或全空的能帶 價帶：價電子填充的能帶 禁帶：導(dǎo)帶及滿帶之間的空隙 導(dǎo)帶 習(xí)題 117 導(dǎo)體： 價帶未滿，或價帶全滿但禁帶寬度為零，此時，電子能夠很容易的實現(xiàn)價帶與導(dǎo)帶之間的躍遷。 半導(dǎo)體 ：價帶全滿，禁帶寬度在 ，此時，電子可以通過吸收能量而實現(xiàn)躍遷。 絕緣體 ：價帶全滿，禁帶寬度大于 5eV，此時，電子很難通過吸收能量而實現(xiàn)躍遷 Chapter3 Properties of Materials 118 00( ) /l l l? ?? ( H o o k e 39。s L a w )E???0/FA? ?00( )/l l l???= 5 m，直徑為 3mm的鋁線，已知鋁的彈性模量為 70Gpa，求在 200N的拉力作用下，此線的總長度。 Chapter3 Properties of Materials 119