Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 10 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 10 Tính chất quang của vật liệu, gồm các nội dung chính sau bản chất của ánh sáng; tương tác ánh sáng – vr; phản xạ toàn phần và thủy tinh quang dẫn; hấp thụ ánh sáng và định luật lambert;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 10 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

CHƯƠNG 10 TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1
TỪ KHÓA • Reflection • Absorption • Transmission • Emission • Lambert’s Law • Scatter PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2
VIẾT TẮT • VL: Vật liệu • LK: Liên kết • CR: Chất rắn • NT: Nguyên tử • VR: Vật rắn • PT: Phân tử • NL: Năng lượng • HN: Hạt nhân PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3
1. BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG  Nội dung xem xét: tương tác VL với sóng điện từ trong vùng ánh sáng nhìn thấy  Các sóng điện từ: có bản chất sóng và hạt  Công thức Planck tính NL E của hạt ánh sáng (photon): E= h= hc/ h – hằng số Planck, 6,63.10-34 J.s= 4,16.10-15 eV.s  - bước sóng;  - tần số c – tốc độ truyền ánh sáng trong chân không PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4
1. BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG  Ánh sáng, nhiệt, sóng ra đa…: bức xạ điện từ  Ánh sáng nhìn thấy nằm trong một vùng hẹp của phổ với bước sóng 0,36  0,76 m  Các màu sắc nhìn thấy thực chất là phổ của nhiều ánh sáng đơn sắc có các bước sóng tương ứng với các mức NL xác định PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5
Phổ bức xạ điện từ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6
Bảng tọa độ màu  Các màu đơn sắc trộn lẫn với nhau với tỉ lệ % khác nhau tạo nên những màu sắc khác nhau  Màu sắc nhìn thấy là sự kết hợp các ánh sáng đơn sắc thành phần PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7
2. TƯƠNG TÁC ÁNH SÁNG – VR 2.1. MỞ ĐẦU Chiếu chùm tia đơn sắc cường độ I0 tới lớp đủ mỏng của VR. Về cường độ sáng, chùm tia chia thành 3 phần là phản xạ (IR), hấp thụ (IA) và truyền qua (IT): I0= IR + IA + IT PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8
2.1. MỞ ĐẦU  Đặt R= IR/I0; A= IA/I0; T= IT/I0  R + A + T= 1  Phụ thuộc tỉ lệ cường độ sáng R, A, T, có thể phân VL thành các nhóm: 1. VL trong suốt: Hầu hết ánh sáng truyền qua, T cao (thủy tinh quang học: T> 90%) 2. VL mờ đục: Ánh sáng truyền qua không rõ; T nhỏ, A lớn; xảy ra hấp thụ chọn lọc ánh sáng hoặc tán xạ ánh sáng trong VL 3. VL mờ (không trong): Ánh sáng hầu như không truyền qua (T= 0); do phản xạ hoặc phản xạ + hấp thụ lớn PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9
2.2. TƯƠNG TÁC VỚI CÁC PHẦN TỬ CẤU TẠO VL  Do bản chất sóng điện từ, ánh sáng tương tác với sóng điện từ của các phần tử cấu tạo VL (HN, các e, lỗ trống)  Có thể chia sự tương tác làm 2 phần: 1. Phần tương tác với HN NT (do chuyển động tự quay tạo moment xung lượng) 2. Phần tương tác với e tự do (spin của e)  Phần tương tác nào chiếm ưu thế phụ thuộc vào bước sóng tới và cấu trúc liên kết của CR PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10
2.2. TTÁC VỚI CÁC PHẦN TỬ CẤU TẠO VL  Nếu coi các PT tham gia LK có dao động trong dải tần số nào đó, sẽ tồn tại một tần số sóng hấp thụ 0 có thể cộng hưởng với sóng điện từ kích thích  Phân tích quang phổ là xác định tần số cộng hưởng để xác định loại LK đặc trưng ứng với tần số đó PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11
Bản chất màu sắc theo thuyết vùng NL  Theo thuyết vùng NL, các e trong PT cấu tạo CR đều có mức NL tương ứng với trạng thái LK (hóa trị) hoặc phản LK (dẫn); giữa 2 mức NL này: vùng cấm Eg  Do có bản chất sóng-hạt, tùy vào chủng loại và chiều dày lan truyền trong VL cũng như bước sóng tương tác, cường độ ánh sáng có thể bị giảm do hấp thụ bởi HN (tất cả các VL) hoặc các e (KL và các VL có Eg nhỏ) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12
Bản chất màu sắc theo thuyết vùng NL  Khi VL bị kích thích bởi photon, các e có thể hấp thụ NL vượt qua Eg nhảy lên mức NL cao hơn (trạng thái bị kích thích) và trở lại trạng thái ban đầu đồng thời phát xạ NL tương ứng với NL hấp thụ: E= h= hc/ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13
Bản chất màu sắc theo thuyết vùng NL  Tùy thuộc vào độ lớn của Eg, VL sẽ có khả năng hấp thụ các tia đơn sắc khác nhau (VL có màu sắc khác nhau)  VL trong suốt: Eg> 3,1 eV, không hấp thụ sóng ánh sáng nhìn thấy  VL màu đen: Eg< 1,8 eV, sẽ hấp thụ hoàn toàn các sóng ánh sáng nhìn thấy  1,8 eV < Eg < 3,1 eV: VL hấp thụ chọn lọc các sóng ánh sáng với các bước sóng khác nhau. Phụ thuộc bước sóng hấp thụ và tỉ lệ bị hấp thụ, VL có màu sắc khác nhau PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14
Nguyên lý Pin mặt trời – Nhiệt kế  Nếu dẫn các e bị sóng ánh sáng kích thích qua mạch điện rồi mới trở về vùng NL cơ bản ban đầu: pin quang điện (nguyên lý của pin mặt trời)  Khi VL bị nung nóng, các e bị kích thích lên mức NL cao hơn. Các e bị kích thích khi trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra photon: bức xạ nhiệt. Quá trình bức xạ sẽ phát ra phổ với bước sóng nhỏ nhất và phân bố cường độ phụ thuộc vào T. T càng cao, phạm vi bước sóng phát xạ càng rộng. Đo cường độ của dải hẹp phổ bức xạ, có thể xác định được T VL. Đây là nguyên lý nhiệt kế 15
Phản xạ của ánh sáng  Phần ánh sáng phản xạ R phụ thuộc vào bản chất và đặc tính hình học của bề mặt  Với mặt phẳng: R = [(n0 – ns)/(n0 + ns)]2 n0, ns: chiết suất của không khí và VL (n= c/v, v: vận tốc của ánh sáng trong môi trường)  Chiết suất chính là kết quả của phân cực điện môi. Do phân cực điện môi, bức xạ mất NL cho các e  v giảm PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16
Phản xạ của ánh sáng Nếu VL trong suốt (thủy tinh silicate), hấp thụ và tán xạ có thể bỏ qua, hệ số truyền qua: T= 1 – R Với ánh sáng thấy được: n0= 1, chiết suất thủy tinh nthủy tinh= 1,5 thì: R= [(1-1,5)/(1+1,5)]2 0,04  T= 1-R= 0,96 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17
Đối với VL kim loại  KL: VL không trong suốt, phản xạ + hấp thụ hầu hết ánh sáng tới, phần truyền qua gần như bằng 0. Lá KL rất mỏng mới cho ánh sáng truyền qua  Cấu trúc của KL: vùng NL LK & phản LK phủ lên nhau (Eg= 0), hầu hết các tần số ánh sáng đều bị hấp thụ  Do Eg= 0, hầu hết các photon kích thích các NT và e ở ngay lớp bề mặt KL  Phần lớn bức xạ bị hấp thụ sẽ được thứ phát từ bề mặt dưới dạng ánh sáng nhìn thấy có cùng bước sóng: ánh sáng phản xạ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18
Đối với VL kim loại  Độ phản xạ của phần lớn KL: 0,90 – 0,95. Một phần nhỏ NL chuyển thành nhiệt  Ánh kim do hầu hết e tự do chuyển mức NL phát xạ sóng điện từ  Các KL có ánh kim và bề mặt tác dụng như một mặt gương phản xạ, một phần có màu đen do hấp thụ hết ánh sáng tới: “KL đen” (Fe, Mn, các HK của chúng …). Một số KL có màu: “KL màu” (vàng, bạc, đồng …) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 19
Giải thích màu sắc của một số KL  Au: có cấu trúc vỏ e: … 4f145d106s1, có khả năng hấp thụ NL ánh sáng 2,3 eV (từ 5d tới mức Fermi cao hơn). Màu nhìn thấy là màu vàng, tương ứng với bước sóng phát xạ  Ag: có cấu trúc vỏ e: … 4d105s1, đỉnh hấp thụ của Ag nằm gần vùng tia cực tím,  4eV. Nhờ vậy, bạc duy trì được mức phản xạ cao trong phổ ánh sáng nhìn thấy: chúng có màu trắng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 20