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1、 颜色、反射、透过、吸收、折射、发光 1、光是什么？ 2、材料有哪些光学性能？ 3、材料具有这些光学性能的本质是什么？ 材料的光学性能 回顾与总结回顾与总结 光的现象 光的微粒说（牛顿） 光的波动说（胡克，惠更斯） 光的电磁说（麦克斯韦） 光的波粒二象性（普朗克，爱因斯坦） 光的直线传播 光的干涉 光的衍射 电磁波谱 光谱 光的基本性质 光的波粒二象性 What is the light？ Wave or Particle? Wave and Particle? Are relations P=hk and E=mc2 simultaneously compatible with princi
2、ple of wave-particle duality? p=mc p=mc=E/c=hv/c=h/ 光子动动量悖论论？ 颜色有关的问题 光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470 480 兰 470455 460 紫 455400 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围 人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。 思 考 问 题 物体是如何呈现不同颜色的？ 伸手不见五指的黑夜，你看见红花和绿草吗？ 人类如何感知颜色？可见光之外的波段光子的能量如何测量？ 光通过固体的现
3、象 折射（光速的变化） 反射（能量的变化） 吸收（能量的变化） 散射（能量的变化） 透过（能量） 反射定律和微观机制 折射，负折射 材料的不透明与半透明性 光的吸收过程与机理 电子极化电子极化 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。 电子能态转变电子能态转变 电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一 种能态的过程； 材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的 电子激发到较高能级上去，电
4、子发生的能级变化E 与电磁波频率有关： E=h 受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经 过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电 磁波，即自发辐射。 原子的能级和晶体的能带 光吸收 J(x)=J0(1-R)e-ax R 为反射系数，a为吸收系数 光的吸收与光电转换 导带 价带 能隙 （禁带） 本征吸收 固体中电子的能带结构， 绝缘体和半导体的能带结构如图所示。导 带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带 ），在能隙中不能存在电子的能级。这样 ，在固体受到光辐射时，如果辐射光子的 能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那 么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸 收。 例如，离子晶体的能隙宽度
5、一般为几个电子伏，相当 于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光 以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的 。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到 250nm，相当于0.055eV的能量。当有足够强的辐射（如 紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发 跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电 子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作本征吸收。 例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6eV)附近，NaCl的 基础吸收约为8eV，Al2O3的基础吸收约在9eV。 导带 价带 能隙(禁带） 激子能级 激子吸收 除了基础吸收以外，还有一类吸收 ，其能量低于
6、能隙宽度，它对应于电 子由价带向稍低于导带底处的的能级 的跃迁有关。这些能级可以看作是一 些电子-空穴（或叫做激子，excition ）的激发能级。 杂质吸收 无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外 光区的能量。因此，当可见光以至红外光辐照晶体时，如此的能量不足以 使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会 发生光的吸收，晶体都是透明的。而当紫外光辐照晶体时，就会发生光的 吸收，晶体变得不透明。 Al2O3 单晶红宝石（Cr） 蓝宝石（Ti、Te） 思考： 红宝石为什么是红色？ 铜为什么呈红色？铜离子呈蓝色 ？ 铁是银白色？ 为什么用铜做镜子？ 思考题
7、 太阳能电池的工作原理？ 材料的发光性能 光与热相伴而行 白炽灯丝 2000 太阳表面 5800 要靠辐射有效地产生 可见光，物体的温度 必须足够高！ 热辐射决定于物体 的温度，是一种普 遍存在的现象。 Four stages in development of lighting applications 一、两种发光类型： 物体发射可见光有两种形式：热发光和冷发光。 由于可燃物质燃烧或物体温度升高达到红热、白热状 态时的发光，称热发光。热发光在能量转化中的热耗大 ，发光效率低。 物质不是由于温度升高而发射可见光，称冷发光。冷 发光由于热耗小，发光效率较高。如荧火虫发光,发光热 耗几乎等于零.
8、 1）热辐射的发光机制： 电灯、火焰、太阳等热辐射体的 发光是由于物质在受到热能作用时， 原子中的电子吸收外来能量从低能级 跃迁到高能级（即原子被激发）后从 高能级自发地向低能级跃迁中放出能 量的过程。 电子从低能级向高能级跃迁的过 程实际上是一个“受激吸收”过程。电 子处在高能级的寿命很短（约108 109秒），在没有外界作用下，处于 高能级的电子会自发地向低能级跃迁 ，这种跃迁过程所发出的辐射称为自 发辐射 。 1、热辐射体的发光 蓝宝石、红宝石的颜色？ 2）热辐射的发光特点： 由于原子的自发辐射是一种随机过程，各发光原子的 发光过程彼此独立，互不关联，所以热辐射各原子发出 的光的方向是无
9、规则的射向四面八方，且位相、偏振状 态也各不相同。 由于激发能级有大的宽度，因此发射光的频率不会是 单一的，而有一定频率范围。 光谱能量密度是波长与温度的函数，或光谱辐射出 射度是波长与温度的函数。（普朗克公式） 发射率 （定义为辐 射体的辐射出射度与同温度下 黑体的辐射出射度之比）与辐射体的组成及表面情况密 切相关。 3）人工热辐射源的辐射特性 能斯特灯：辐射体是由氧化锆、氧化钍和氧化钇粉末 混合成型后在高温下烧结而成的细棒状灯丝。在1800K 工作时，发射出15m附近的红外光，发射率达0.75。 硅碳棒：工作在1300-1500K间，发射连续谱，最大值 在8m附近。 白炽灯：一般以钨丝为辐
10、射体，工作温度很高，发射 短波长(0.2-1.6m)连续谱。 高压短弧氙灯：发射短波长(0.2-1.8m)带多个峰的连 续谱。 2. 冷光 不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条 件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态 的跃迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。 光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的 ，物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。 以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态 的过程，称为激发过程。 发光就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程。 萤火虫发光机理 萤火虫有专门的发光细胞，在发光细胞中有两类化学物质 ，一类被称作荧光素（在萤火虫中的称为萤火虫荧光素
11、） ，另一类被称为荧光素酶。荧光素能在荧光素酶的催化下 消耗ATP（三磷酸腺甘），并与氧气发生反应，反应中产 生激发态的氧化荧光素，当氧化荧光素从激发态回到基态 时释放出光子。反应中释放的能量几乎全部以光的形式释 放，只有极少部分以热的形式释放，反应效率为95%。 分立中心发光 复合发光 发光材料的发光中心受激发 时并未离化，发光过程全部 局限在中心内部。被激发的 发光中心内的电子虽然获得 了跃迁至激发态的能量，但 并未离开中心，迟早会释放 出激发能，回到基态而发出 光来。 这种发光是单分子过程，并 不伴随有光电导，故又称为“ 非光电导型”发光。 1. 分立中心发光 自发发光：受激发的粒子 （
12、如电子），受粒子内部 电场作用从激发态A而回 到基态G时的发光。 受迫发光：受激发的电子 只有在外界因素的影响下 才发光。 材料的发光机理 2. 复合发光 发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一 般为空穴和电子，这两种粒子复合时便发光，称为复 合发光。 由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而 构成特征性光电导，故又称为“光电导型”发光。 短复合发光，单分子过程，10-10s 长复合发光，双分子过程 材料的发光特征 1. 颜色特征 不同的发光材料有着不同的发光颜色。 2. 发光强度特征 发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的 感觉，是主观判断的结果，其中包含
13、了眼睛对不同颜色视觉的差别。 发光效率用来表征材料的发光本领。 量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值。 能量效率（功率效率）：发光的能量与激发源输入的能量的比值。 流明效率（光度效率）：发光的流明数与激发源输入的能量的比值 （lm/W）。 3. 发光持续时间特征 发光持续时间特征 规定当激发停止时，其发光亮度L衰减 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为 余辉时间，简称余辉。 人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光； 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。 荧光与磷光无严格区别。 极短余辉：余辉时间1s的发光 发光光谱 发光光谱指发光强度随波长 或能量的分布曲线，是发光 材料独具的
14、特征。 （1）线谱 （2）带谱 （3） Eu 铕 发光材料分类 光致发光材料 电致发光材料 射线致发光材料 热致发光材料 等离子发光材料 发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等 ）照射下激发发光。 发光材料在电场或电流作用下的激发发光。 发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的 激发发光。 发光材料在热作用下的激发发光。 1. 1. 按激发方式来分类按激发方式来分类 可能的发光过程 固体中可能的跃迁 （1）带间吸收；（21）带间发射或自由激子发射（因有一定结合能， 略Eg,图上未显示）；（22）有一定声子参与的光发射；（3）（5） 与杂质、缺陷有关的辐射复合；（6）分立中心内部的发射；（7）无
15、辐射（多声子）弛豫；（8）俄歇Auger过程 光致发光材料 2. 典型荧光和磷光材料 日光用荧光材料 日光灯是荧光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，荧光材料吸收 这种紫外光，发出“白色光”。下图为荧光灯的构造示意图，它由一个内壁涂有荧光体 的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。 通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时便 发出波长为254和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的荧光体受到这种光辐照，就随之发 出白光。这里我们说的是低压汞灯，还有高压汞灯，但原理都一样。 Hg 白光 玻璃壳荧光粉料涂层 185nm254nm 日光灯的构造示意图 灯用荧光材料的组成 常用的基质晶体有两类： 离子键的绝缘材料，例如Cd2B2O5、Zn2SiO4、 3Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2等。在这些材料中，相应激活离子有一套不连 续的能级，并且它们受到基质晶体环境定域的影响而有所修正。 共价性的半导体化合物ZnS等。对这类材料，基质的能带结构会由 于加入激活剂离子伴随的定域能级而有所改变。例如，分别掺杂 Ag+、Sb3+和Eu2+离子的ZnS磷光体由于激活剂不同，而产生特征 的光谱和颜色，下图是它们的发射光
