材料化学(化学工业出版社)课件8.ppt

Chapter3 Properties of Materials1光的吸收和透过光的吸收和透过光的反射和折射光的反射和折射材料的颜色材料的颜色3.6 光学性能Optical Property380 nm780 nm2 可见光可见光波长范围在波长范围在380-780 nm。 无线电波无线电波波长比可见光长得多，不能引起人的波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。 微波微波波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。3 红外线红外线（IR）分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。 紫外线（紫外线（UV）频率高于可见光，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。4 X射线射线波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。l射线和宇宙射线射线和宇宙射线 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级 射线产生于核反应及其他特殊的激发过程 宇宙射线来自地球之外的空间。5光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm) 红 780622 670 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470 480 兰 470455 460 紫 455380 420 1414108 . 4109 . 31414100 . 5108 . 41414104 . 5100 . 51414101 . 6104 . 51414104 . 6101 . 61414106 . 6104 . 61414105 . 7106 . 6可见光七彩颜色的波长和频率范围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，即人眼最为敏感的光是黄绿光，即555 nm 附近。附近。6Chapter3 Properties of Materials7 与光学性能相关的光波：紫外线、可见光和红与光学性能相关的光波：紫外线、可见光和红外线。外线。 材料对光的吸收源于光作用于材料中的原子时材料对光的吸收源于光作用于材料中的原子时产生的产生的电子极化电子极化和和电子跃迁电子跃迁。3.6.1 光的吸收和透过能量吸收和能量吸收和光速变慢光速变慢电子的激发电子的激发 电子跃迁：电子跃迁：光的能量光的能量hv 电子能隙电子能隙 Eg 时，电时，电子从低能级跃迁到高能级。子从低能级跃迁到高能级。Chapter3 Properties of Materials8金属材料：金属材料：强反射（金属光泽）；不透明；强反射（金属光泽）；不透明； 价带与空带间的能隙小，光易被吸收。价带与空带间的能隙小，光易被吸收。电子吸电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态式释放出能量回到低能态 光波从接触表明到被吸收的过程只进入金属光波从接触表明到被吸收的过程只进入金属100 nm 左右深处，所以超过左右深处，所以超过100 nm 厚的金属厚的金属是不透明的。是不透明的。Chapter3 Properties of Materials9半导体和其它非金属材料：取决于能隙半导体和其它非金属材料：取决于能隙E Eg g； 能量最高的光波波长是能量最高的光波波长是380 nm，则，则 Eg 3.26, 不能吸收可见光，材料无色透明。不能吸收可见光，材料无色透明。 Eg 1.59, 所有可见光被吸收，材料不透明。所有可见光被吸收，材料不透明。 1.59 Eg 3.26, 部分光被吸收，材料呈现不同颜色。部分光被吸收，材料呈现不同颜色。 348-118-1-96.62 10(J s) 3 10 (m s )1240(eV)=6.242 10 (eV J )(nm) 10(nm) 380nm3.26eVhcE 能量最低的光波波长 760 nm 1.59 eVChapter3 Properties of Materials10几种无机材料的光透过曲线几种无机材料的光透过曲线 一般的玻璃在紫外光区有较强的吸收，而石英和蓝宝石可以很一般的玻璃在紫外光区有较强的吸收，而石英和蓝宝石可以很好的透过紫外线，可以用作紫外光谱测量中的石英比色皿。好的透过紫外线，可以用作紫外光谱测量中的石英比色皿。Si在红外波段有在红外波段有50的透过率，无杂峰，可以用作的透过率，无杂峰，可以用作红外光谱测量的样品基片。红外光谱测量的样品基片。Chapter3 Properties of Materials11 高分子材料：高分子材料： 无定形透明，无定形透明， 结晶影响透明性（晶粒对光的散射）结晶影响透明性（晶粒对光的散射）Chapter3 Properties of Materials12 金属材料：强反射（金属光泽）；金属材料：强反射（金属光泽）；电子吸收光能后激发到较高能态，随即又电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态。以光波的形式释放出能量回到低能态。由于金属的反射率随光波的波长变化，因由于金属的反射率随光波的波长变化，因而呈现各种反射颜色。而呈现各种反射颜色。3.6.2 光的反射和折射光的反射和折射几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线Chapter3 Properties of Materials13Ag在整个可见光在整个可见光区有很高的反射区有很高的反射率，因此几乎所率，因此几乎所有可见光被反射，有可见光被反射，呈现出银白色。呈现出银白色。Au和和Cu在长波区在长波区有较好的反射，有较好的反射，而在短波区反射而在短波区反射变弱，因而呈现变弱，因而呈现金黄色和橙红色。金黄色和橙红色。高于一定频率的高于一定频率的光波会引起光波会引起d电子电子激发到空的激发到空的S轨道，轨道，此部分光被吸收此部分光被吸收而不能反射，对而不能反射，对于于Cu和和Au，此，此频率落在可见频率落在可见光区，因此高频光区，因此高频部分被吸收，而部分被吸收，而低频部分被反射，低频部分被反射，呈现特定颜色。呈现特定颜色。Chapter3 Properties of Materials14 无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差别越大，反射就越强。差别越大，反射就越强。 材料的折射率受其结构影响。材料的折射率受其结构影响。单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波传播受影响越大，从而折射率越大。传播受影响越大，从而折射率越大。原子半径越大原子半径越大( (极化率大），折射率就越大。极化率大），折射率就越大。 折射率是一个重要指标。折射率是一个重要指标。例如光学透镜，折射率大，透镜可以做得薄。例如光学透镜，折射率大，透镜可以做得薄。Chapter3 Properties of Materials15 金属材料金属材料：颜色取决于其反射光的波长；：颜色取决于其反射光的波长； 无机非金属材料无机非金属材料：颜色通常与光吸收特性有关；：颜色通常与光吸收特性有关；3.6.2 材料的颜色材料的颜色红宝石中红宝石中Cr3+的颜色的颜色Chapter3 Properties of Materials16导电性导电性介电性介电性铁电性铁电性压电性压电性 材料被施加电场时所产生的响应行为材料被施加电场时所产生的响应行为.3.4 3.4 电性能电性能Electrical PropertyElectrical PropertyChapter3 Properties of Materials172.1.3.5 Electrical property电阻：电阻：lRA电导率：电导率： = 1/ = nZe 要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（n）和使载流子更易于流动（增大）和使载流子更易于流动（增大 值）值）。 3.4.1 导电性能导电性能Electrical Conductivityl: 材料的长度材料的长度A：材料的截面积：材料的截面积 ：电阻率：电阻率n: 载流子的密度载流子的密度Ze：每个载流子的电荷数：每个载流子的电荷数: 载流子迁移率载流子迁移率Chapter3 Properties of Materials182.1.3.5 Electrical property能带理论（能带理论（Band Theory）能带的形成能带的形成金属晶体中含有不同的能带。金属晶体中含有不同的能带。满带：已充满电子的能带叫做满带。满带：已充满电子的能带叫做满带。空带：部分填充或全空的能带，叫做空带。空带：部分填充或全空的能带，叫做空带。导带：空带获得电子后可以参与导电过程，又称为导带导带：空带获得电子后可以参与导电过程，又称为导带CB。价带：价电子所填充的能带称为价带价带：价电子所填充的能带称为价带VB 。禁带：在半导体和绝缘体中，满带与导带之间有一段空隙。禁带：在半导体和绝缘体中，满带与导带之间有一段空隙。Chapter3 Properties of Materials202.1.3.5 Electrical property各种材料的能带结构各种材料的能带结构Chapter3 Properties of Materials212.1.3.5 Electrical property金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。绝缘体性质。金属材料的价带和导带相互重合，温度越高，电子被金属材料的价带和导带相互重合，温度越高，电子被激发到导带的数目越多，所以导电性能越强；激发到导带的数目越多，所以导电性能越强；半导体的禁带宽度较小，当温度升高时，电子可以被半导体的禁带宽度较小，当温度升高时，电子可以被激发传到导带，从而使材料具有导电性；激发传到导带，从而使材料具有导电性；绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是电的不良导体。电的不良导体。Chapter3 Properties of Materials232.1.3.5 Electrical property3.4.2 介介电性能电性能 Dielectric Property电容电容C（capacitance）电荷量电荷量q与电压与电压V的比值：的比值： 平板电容计算：平板电容计算： C = (A/L) ：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力； 相对介电常数相对介电常数 r： r= / 0 C=q/V3.4.2 介介电性能电性能 Dielectric Property介电性：在电场作用下，材料表现出对静电能的介电性：在电场作用下，材料表现出对静电能的 储存和损耗的性质。储存和损耗的性质。原因：在外电场作用下产生的极化，即电极化。原因：在外电场作用下产生的极化，即电极化。电介质：在电场作用下能够建立极化的物质。电介质：在电场作用下能够建立极化的物质。 正负电荷中心分离正负电荷中心分离 偶