主要內容5.1光通過介質的現象5.2無機材料的透光性5.3界面反射與光澤5.4不透明性與半透明性第5章無機材料的光學性能§5.1光透過介質的現象

1.光的波粒二象性可見光是電磁輻射波譜的波長在400nm到750nm范圍的一個波段。與電磁輻射波一樣，可見光在傳播時，存在呈周期變化的電場和磁場分量，且電場、磁場和傳播方向三者之間相互垂直。光色

波長(nm)

頻率(Hz)中心波長(nm)

紅750~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

蘭470~455460

紫455~400430可見光七彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即555nm附近。電磁波譜無線電波－波長比可見光長得多，不能引起人的視覺。微波－波長范圍分布從毫米到幾十厘米，他們在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加熱。紅外線（IR）－分布在微波和可見光之間，且僅能夠在它聚集熱的地方探測到。紫外線（UV）：頻率高于可見光的，不能引起視覺，對生命有危害。X射線：波長比紫外線還短的電磁波，它們很易穿過大多數物質。致密的物質、固體材料比稀疏物質容易吸收更多的X射線。γ射線和宇宙射線：波長最短，波長尺寸約為原子核大小量級γ射線產生于核反應及其他特殊的激發過程宇宙射線來自地球之外的空間。光子與固體介質的作用折射入射角、折射角與材料的折射率、有下述關系：入射束折射束12材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質：在折射率大的介質中，光的傳播速度慢；光疏介質：在折射率小的介質中，光的傳播速度快。影響材料折射率的因素構成材料元素的離子半徑材料的結構、晶型材料所受的內應力同質異構體①內因：②外因：色散麥克斯韋電磁理論

光在介質中的傳播速度為：其中：ε為介電常數；μ為導磁率無機材料：μ＝1，ε≠1影響折射率的因素

1、離子半徑：介電常數隨著離子半徑的增大而增大，因而折射率n隨著離子半徑的增大而增大?？梢杂么箅x子得到高折射率的材料；可以用小離子得到低折射率的材料。2、材料的結構和晶型：材料的n主要由離子的堆積密度和極化率決定。（1）均質介質（各向同性）：經驗公式：Pi和Ki是第i組分的重量分數和折射系數，ρ是密度。（2）非均質介質（各向同性）：雙折射常光：折射線在入射面內，遵守各向同性材料折射定律非常光：折射線不一定在入射面內（3）內應力：垂直于受拉主應力方向的n大，平行于受拉主應力方向的n小。（4）同質異構體：結構敞廣的高溫態比結構緊密的低溫態折射率小。常溫：SiO2玻璃態的折射率是1.46石英晶體折射率1.55

高溫：磷石英折射率1.47

方石英折射率1.49

倒數相對色散，即色散系數：材料的折射率隨入射光的頻率的減小而減小的性質，稱為折射率的色散。

在給定入射光波長的情況下：色散nD：鈉的D譜線為光源測得的折射率；nF：氫的F譜線為光源測得的折射率；nC：氫的C譜線為光源測得的折射率。二、色散幾種玻璃的色散

幾種晶體和玻璃的色散（2）材料的反射系數和影響因素反射系數若介質1是空氣，則若兩種介質的折射率相差越大，則反射損失越大，光的透過率越低。5.2無機材料的透光性無機非金屬材料對可見光可能透明，也可能不透明。透過率除光在界面被反射外，還與光進入材料中被吸收和散射狀況有關。①介質吸收光的一般規律：α為物質對光的吸收系數，α取決于材料的性質和光的波長。α越大，材料越厚，光就被吸收得越多，而透過后的光強度就越小。在電磁波譜的可見光區：金屬和半導體的吸收系數很大，所以不透明；電介質材料（如玻璃），吸收系數小，透過性較好。介質對光的吸收與光的波長的關系1、可見光區：因為金屬價電子處于未滿帶，吸收光子后呈激發態，發生碰撞而消耗能量；無機介質材料價電子所處的能帶是滿帶，不能吸收光子而自由運動，光子的能量不足以使之躍遷，吸收系數很小。2、紫外光區：無機電介質材料有很強的吸收；波長短、能量大，電子吸收光子能量躍遷，吸收系數大。選擇吸收：同一物質對某種波長的吸收系數很大，對另一種波長的吸收很小的現象。光的選擇性吸收使透明材料呈現不同顏色。均勻吸收：在可見光范圍內對各種波長的波的吸收程度相同，稱為均勻吸收。隨著吸收程度的增加，顏色從灰變為黑色。5.2.2介質對光的散射光波遇到不均勻結構產生的次級波，與主波方向不一致，就會出現干涉，而偏離原來方向，引起散射。

散射系數s與散射(質點)的大小、數量以及散射質點與基體的相對折射率等因素有關，其單位為cm-1。如果將吸收定律和散射定律結合起來：質點尺寸對散射系數的影響無機材料的透光性光通過材料后，剩余光能所占的百分比。光通過陶瓷片的吸收損失與反射損失I/I0：透光率。其中損失包括：表面上的反射損失；通過材料后的吸收損失；散射損失；I=mI0影響無機非金屬材料透光性的因素分析1.吸收系數

無機非金屬材料的吸收率或吸收系數在可見光范圍內是比較低的，在影響透光率的因素中不占主要地位。

材料對周圍環境的相對折射率大，反射損失也大。此外，材料表面的光潔度也影響透光性能。

2.反射系數

3.散射系數

a）材料宏觀及顯微缺陷：材料中的夾雜物、摻雜、晶界等對光的折射性能與主晶相不同，因而在不均勻界面上形成相對折射率。此值越大則反射系數（在界面上的，不是指材料表面的）越大，因而散射系數變大。

b)晶粒排列方向影響：對于各向異性材料存在有雙折射問題，這樣，由多晶材料構成的無機非金屬材料，晶粒與晶粒之間，可引起晶界處的反射及散射損失。c)氣孔引起的散射損失：存在于晶粒之內的以及在晶界玻璃相內的氣孔、孔洞，從光學上講構成了第二相。其折射率nl與基體材料之n2相差較大。由此引起的反射損失、散射損失遠較雜質、不等向晶粒排列等因素引起的損失為大。

思考：提高無機材料透光性的措施有哪些？①提高原材料純度在無機材料中雜質形成的異相，其折射率與基體不同，等于在基體中形成分散的散射中心，使s提高。②摻加外加劑

影響材料透光性的主要因素是材料中所含的氣孔。摻加外加劑，降低材料的氣孔率，特別是降低材料燒成時的閉孔，是提高透光率的有力措施。③工藝措施

用盡可能能排除氣孔的工藝方法來生產，采取熱壓法要比普通燒結法更便于排除氣孔，而用熱等靜壓法效果更好。§5.3界面反射與光澤

鏡反射和漫反射

在光潔度非常高的材料表面上的反射，反射光線具有明確的方向性，稱為鏡反射。

陶瓷中大多數表面并不是十分光滑的，因此當光照射到粗糙不平的材料表面上時，發生相當的漫反射。釉或搪瓷的鏡反射和漫反射不透明性和半透明性：鏡面反射和漫反射釉或者搪瓷（不透明）毛玻璃或者瓷體（半透明）不透明性（高乳濁性）：光在達到具有不同光學特性的物質的底層之前被漫反射；半透明性：光應該在經過不同光學特性的物質的過程中，被散射，不要求最大的散射，但是要求內部散射光產生的漫透射要大，吸收要小。二、乳濁劑的成分：

在熔制時，形成惰性產物，或者在冷卻或再加熱時從熔體中結晶出小顆粒；硅酸鹽玻璃的折射率為1.49－1.65，乳濁劑折射率必須與此不同。適用于硅酸鹽介質（n＝1.5）的乳濁劑素燒陶瓷釉瓷釉-無機材料的顏色一、顏色的起因：

白光完全被物質吸收：黑色；對所有的光吸收程度差不多（不存在選擇性吸收）：灰色；選擇性吸收：顯示顏色。吸收光波長越短，顏色越淺；吸收光波長越長，顏色越深。由于在可見光譜中存在吸收帶而產生顏色。引起電子躍遷光的吸收顏色二、電子躍遷形式：

1、電子內部躍遷：

過渡金屬、稀土金屬、未填滿電子殼層離子。如：Cr3＋、Fe2＋、Co2＋、Ni2＋、Ca2＋……

電子未被填滿，當光照射時，電子吸收能量，由基態躍遷到激發態，呈現出不同的顏色。

2、禁帶躍遷：（許多半導體出現的本征著色）

本征吸收：晶體受到光照射時，電子吸收光子能量，從價帶躍遷到導帶。只有當hυ≥Eg時，才能發生躍遷，半導體顯示一定的顏色。硅：灰黑色，具有金屬光澤。是因為無選擇性的吸收可見光，具有灰黑色。同時一部分光發生鏡面反射，形成光澤。（1）熒光：原子的外層電子受激發，從基態或低能態躍遷到高能態，約經10-8

s后，又躍回基態或低能態，同時發射的光子，稱為熒光。應用：利用熒光現象制作的原子熒光光譜儀，可應用于冶金、石化、材料、環境生物樣品等的痕量元素分析測定。（2）磷光：激發停止后一段時間發出的。延遲發射10-2s~10s。含有雜質和缺陷由基體和激活劑兩部分組成?；w一般為硫化物，如CaS、SrS、BaS、ZnS、CdS等；激活劑主要是金屬，由基質選定。例如對于ZnS和CdS，最好的激活劑是Ag、Cu、Mn。應用：磷光現象的應用是制作磷光體或熒光劑。如：電視機的熒光屏，公路交通中的夜間路標采用長余光的磷光體。

激光（Laser）是受激輻射光放大的簡稱，是一種單色性好,亮度高、相干性強、方向性好的相干光束。激光（Laser）激光激光的產生條件：①能量輸入系統（維持連續不斷的受激輻射）；②實現粒子反轉的激光器（工作物質與激活物質）。紅寶石激光器中的Cr的能級

平衡態時各能級的粒子數n1>n2>n3

波長為5500埃的黃綠光照射后n2>n1

粒子數反轉：高能級的原子數大于低能級的原子數。Al