Оптические свойства материалов. Температурная зависимость поглощательной способности металла. Окраска кристаллов

10. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

10.1.  Основные понятия

Под оптическими свойствами материала понимают совокупность физических свойств, проявляемых при его взаимодействии со световым излучением (электромагнитными волнами). Основные явления, возникающие при этом, включают: отражение, преломление, поглощение, дисперсия, обратное излучение, фотоэлектрический эффект и др.  Наиболее важную роль оптические свойства материалов играют в технологиях лазерной обработки (упрочнении поверхностей, сварки, размерной обработки и т.п.), определяющие их поглощательную способность и темп нагрева. Развитие лазерной техники и технологии связано с использованием металлических зеркал, оптические свойства которых определяют  интенсивность передаваемого излучения и стойкость самих зеркал.

При падении светового потока на поверхность твердого тела одна его часть отражается, другая – поглощается, а третья – проходит сквозь материал в случае его прозрачности. Закон сохранения энергии в этом случае выглядит следующим образом

                                                                               (10.1)

где J₀, J_A, J_R, J_T – интенсивность падающего, поглощенного, отраженного и пропущенного светового потока.

Разделив левую и правую части уравнения (10.1) на интенсивность падающего светового потока J₀, получим закон сохранения энергии в относительных величинах

                                                                                             (10.2)

где A, R, T – коэффициенты поглощения, отражения и пропускания соответственно.

Большинство металлов и другие материалы, используемые в машиностроении, являются непрозрачными для широкого диапазона длин волн, поэтому для них выражение (10.2) примет вид

                                                                                         (10.3)

Основными оптическими характеристиками материала являются показатель преломления (n)  и  показатель поглощения (χ₀).

Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз уменьшается скорость света при его переходе из вакуума в среду, т.е.

                                                                               (10.4)

где с – скорость света в вакууме; υ – фазовая скорость света в среде; ε - диэлектрическая проницаемость среды.

Для вакуума показатель преломления n₀ = 1. Для любых сред, кроме вакуума, величина абсолютного показателя преломления зависит от частоты света и состояния среды, в частности ее температуры, плотности и т.п.

Рассмотрим распространение электромагнитной волны в однородной среде. Электромагнитная волна приводит в колебательное состояние электрические заряды молекул. Так как электронное облако легко подвижно по сравнению с тяжелыми ядрами, то электрическое колебание состоит в смещении центра тяжести электронов по отношению к неподвижному центру тяжести положительных зарядов атомных ядер. Уравнение колебания электронов под воздействием электромагнитного излучения можно записать в виде

                                                                       (10.5)

где   m – масса электрона; е – заряд электрона;ω - частота электромагнитного излучения; Е₀ – амплитудное значение напряженности электрического поля электромагнитной волны.

Разделив уравнение (10.5) на m  и пользуясь формулой собственной частоты колебания электрона

получим

                                                                               (10.6)

Выражение (10.6) представляет уравнение вынужденных гармонических колебаний, решение которого можно представить в виде

                                                                                              (10.7)

После подстановки (10.7) в уравнение (10.6) получим

                                                                                             (10.8)

Дипольный момент молекулы будет равен

                                                                                  (10.9)

Вектор поляризации представляет дипольный момент, отнесенный к единице объема, и рассчитывается по формуле

                                                                                 (10.10)

где N – число молекул в единице объема.

С другой стороны поляризация связана напряженностью электрического поля выражением

                                                                                             (10.11)

решая совместно (10.10) и (10.11) получим

                                                                                       (10.12)

Тогда показатель преломления примет вид

                                                                         (10.13)

Анализ формулы (10.13) показывает, что при больших значениях ω >> ω₀  показатель преломления стремится к единице, а при

показатель преломления становится мнимой величиной. Это означает, что при указанных значениях частот электромагнитные волны не могут проникать в материал, и такая ситуация характерна для взаимодействия световой волны с металлами.

Зависимость абсолютного показателя преломления вещества от частоты света (или длины волны) называется дисперсией света. Дисперсия света называется нормальной, если с увеличением частоты показатель преломления монотонно возрастает. Аномальная дисперсия света наблюдается в пределах линии поглощения. За пределами этой зоны имеет место нормальная дисперсия света (рис. 10.1).