CHƯƠNG 12 TÍNH CHẤT QUANG 12.1 Các khái niệm • Tính chất quang hiểu hành vi vật liệu tác dụng xạ điện từ đặc biệt ánh sáng thấy 12.1.1 Bức xạ điện từ - Theo quan niệm cổ điển: Bức xạ điện từ xem sóng gồm hai thành phần điện trường từ trường vuông góc với phương truyền sóng - Ánh sáng, nhiệt, sóng rada, sóng radio, tia X… tất dạng xạ điện từ - Mỗi dạng xạ đặc trưng phạm vi bước sóng kỹ thuật tạo Trong phần này, chủ yếu trình bày vấn đề có liên quan tới xạ nhìn thấy, theo định nghĩa xạ mà mắt ta nhạy cảm Tất xạ điện từ truyền qua chân không với tốc độ tốc độ ánh sáng (c = 3.108 m/s) Tốc độ liên hệ với số điện môi εo độ thẩm từ chân không μo thông qua hệ thức: c= ε μ0 Tần số ν bước sóng λ xạ điện từ hàm số tốc độ c theo hệ thức: c = λν - Theo quan niệm học lượng tử: Bức xạ điện từ sóng mà gồm nhóm hay bó lượng gọi photon - Năng lượng E photon bị lượng tử hoá, tức có giá trị riêng quy định hệ thức: E = hν = Trong đó: hc λ - h: số Planck, có giá trị 6,63.10-34J.s Như lượng photon tỷ lệ với tần số tỷ lệ nghịch với bước sóng xạ Năng lượng photon cho phổ điện từ - Khi mô tả tượng quang học liên quan đến tương tác xạ chất lý giải thường thuận lợi xem xét ánh sáng theo quan điểm photon 12.1.2 Tương tác ánh sáng với chất rắn - Khi ánh sáng từ môi trường sang môi trường khác số xạ ánh sáng truyền qua môi trường, số bị hấp thụ số bị phản xạ bề mặt phân cách hai môi trường - Cường độ chùm tia tới bề mặt môi trường tổng cường độ chùm sáng truyền qua, hấp thụ phản xạ: Trong đó: I o = I A + IT + I R - A, T, R tương ứng biểu diễn độ truyền qua (IT/Io), độ hấp thụ (IA/IO) độ phản xạ (IR/IO), tức tỷ lệ phần ánh sáng tới được, truyền qua, phản xạ hấp thụ vật liệu - Những vật liệu có khả truyền ánh sáng với độ hấp thụ phản xạ tương đối nhỏ vật suốt - Những vật mờ: vật liệu mà ánh sáng qua chúng bị tán xạ vào vật liệu đến mức mà nhìn qua mẫu vật liệu phân biệt rõ ràng đối tượng - Những vật không cho ánh sáng nhìn thấy truyền qua gọi vật đục 12.1.3 Tương tác nguyên tử điện tử - Các tượng quang học xảy bên vật rắn có liên quan đến tương tác xạ điện từ nguyên tử, ion điện tử - Hai tượng quan trọng tương tác là: Sự phân cực điện tử Sự chuyển dời lượng điện tử Sự phân cực điện tử - Một hai thành phần sóng điện từ điện trường biến thiên nhanh Ở phạm vi tần số thấy được, điện trường tương tác với đám mây điện tử bao quanh trường nguyên tử gây phân cực điện tử - Cứ lần thành phần điện trường thay đổi hướng lần làm lệch đám mây điện tử so với hạt nhân nguyên tử Điều dẫn tới Æ Một phần lượng xạ bị hấp thụ Æ Sóng ánh sáng bị chậm lại qua môi trường Chuyển dời điện tử - Sự hấp thụ xạ điện từ gây nên chuyển dời điện tử từ trạng thái lượng sang trạng thái lượng khác Một số khái niệm quan trọng cần ý: Æ Các trạng thái nguyên tử (mức lượng) gián đoạn nên tồn khoảng cách ΔΕ riêng mức lượngÆ photon có tần số tương ứng với ΔΕ cho phép hấp thụ chuyển dời điện tử Æ Điện tử tồn trạng thái kích thíchÆ sau thời gian ngắn, điện tử trạng thái kích thích có xu hướng nhảy trở lại trạng thái ban đầu mức lượng thấp phát xạ điện từ Æ Có thể có nhiều đường để điện tử trạng thái kích thích chuyển trạng thái có mức lượng thấp phải bảo đảm bảo toàn lượng cho chuyển dời điện tử hấp thụ phát xạ 12.2 Các tính chất quang học kim loại - Xét trường hợp sơ đồ vùng lượng điện tử kim loại mô tả hình trên, hai trường hợp có vùng lượng cao điền đầy điện tử phần - Bức xạ ánh sáng tới kích thích điện tử chuyển lên trạng thái lượng chưa bị chiếm nằm mức fermi, kết ánh sáng tới bị hấp thụ Æ Các kim loại đục Æ Sự hấp thụ hoàn toàn xảy lớp mặt mỏng, thường nhỏ 0,1 μm, màng kim loại có bề dày ≤0,1 μm có khả truyền ánh9 sáng thấy - Kim loại hấp thụ tần số ánh sáng nhìn thấy liên tục có trạng thái điện tử trống Æ chúng cho phép chuyển dời điện tử - Trên thực tế, kim loại đục tất xạ điện từ vùng tần số thấp phổ: sóng vô tuyến điện, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, khoảng xạ tử ngoại - Các kim loại suốt tất xạ tần số (tia Rontghen, tia gamma) 10 - Phần lớn xạ bị hấp thụ phát xạ trở lại từ bề mặt dạng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng Æ ta có ánh sáng phản xạ - Độ phản xạ phần lớn kim loại nằm 0.9 -0,95 - Một phần nhỏ lượng trình dịch chuyển xuống mức lượng thấp điện tử bị chuyển thành nhiệt - Do kim loại đục phản xạ mạnh nên màu cảm nhận chúng xác định phân bố bước sóng chùm tia phản xạ 11 12.3 Các tính chất quang học vật liệu phi kim loại - Do cấu trúc vùng lượng điện tử, vật liệu phi kim loại suốt ánh sáng nhìn thấy Æ phản xạ, hấp thụ cần khảo sát tượng khúc xạ truyền qua * Hiện tượng khúc xạ: tượng tia sáng truyền tới bề mặt vật liệu suốt bị giảm tốc độ kết bị lệch hướng mặt giới hạn - Chỉ số khúc xạ (chiết suất): tỷ số tốc độ môi trường chân không c tốc độ môi trường ν n= c υ - Như độ lớn n phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Hiệu ứng minh hoạ tượng tán sắc ánh sáng, tức phân tách chùm tia sáng trắng thành tia thành phần khác lăng kính thuỷ tinh - Chiết suất không ảnh hưởng tới quang lộ ánh sáng mà ảnh 12 hưởng đến phần ánh sáng bị phản xạ từ bề mặt - Biểu thức tính tốc độ ánh sáng ν môi trường: υ= εμ Trong đó: Æ ε: số điện môi Æ μ: độ từ thẩm εμ ⇒n= = = ε r μr υ ε o μo c Trong đó: Æ εr: số điện môi tương đối Æ μr: độ từ thẩm tương đối Do phần lớn chất có từ tính nhẹ Æ μr ≈ ⇒ n = εr Chú ý: Hiện tượng khúc xạ có liên quan tới phân cực điện tử tần số tương đối cao ánh sáng nhìn thấy Æ thành phần điện tử số điện môi xác định từ phép đo chiết suất 13 - Nguyên tử ion có kích thước lớn phân cực điện tử mạnh, tốc độ ánh sáng chậm chiết suất lớn - Các gốm tinh thể có cấu trúc lập phương thuỷ tinh có chiết suất đẳng hướng (không phụ thuộc vào hướng tinh thể) - Các tinh thể không lập phương lại có chiết suất n bất đẳng hướng, tức chiết suất lớn dọc theo hướng có mật độ ion cao 14 * Hiện tượng phản xạ: tượng xạ ánh sáng từ môi trường sang môi trường khác, phần ánh sáng bị xạ mặt phân cách hai môi trường, hai môi trường suốt - Độ phản xạ R: biểu thị phần ánh sáng bị phản xạ mặt phân cách R= IR IO Trong đó: Æ IR: cường độ chùm tia tới Æ IO: cường độ chùm tia phản xạ - Nếu ánh sáng tới vuông góc với mặt giới hạn thì: ⎡ n2 − n1 ⎤ ⇒R=⎢ ⎥ n + n ⎣ 1⎦ Trong đó: Æ n1: chiết suất môi trường chứa tia tới Æ n2: chiết suất môi trường chứa tia phản xạ 15 - Nếu ánh sáng tới không vuông góc với mặt phân cách R phụ thuộc vào góc tới Khi ánh sáng truyền từ chân không không khí vào chất rắn s thì: ⎡ n − 1⎤ R=⎢ s ⎥ ⎣ ns + ⎦ Chú ý: Æ Chiết suất vật rắn cao độ phản xạ lớn Æ Chiết suất chất rắn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng độ phản xạ biến đổi theo bước sóng Æ Tổn hao phản xạ thấu kính dụng cụ quang học khác giảm đáng kể phủ lên bề mặt phản xạ lớp mỏng vật liệu điện môi Æ Đối với thuỷ tinh silicate tiêu biểu, độ phản xạ vào khoảng 0,05 16 •Hiện tượng hấp thụ: Về nguyên lý xạ ánh sáng bị hấp thụ vật liệu theo chế có ảnh hưởng lên đặc tính truyền qua - Sự phân cực điện tử: Sự hấp thụ phân cực điện tử quan trọng tần số lân cận tần số hồi phục nguyên tử cấu thành - Hai chế lại liên quan với chuyển dời điện tử, chúng phụ thuộc vào cấu trúc vùng lượng điện tử vật liệu: Æ Cơ chế hấp thụ liên quan tới kích thích điện tử nhảy vượt qua vùng cấm Æ Cơ chế hấp thụ liên quan tới chuyển dời điện tử vào mức tạp chất khuyết tật nằm vùng cấm 17 - Hấp thụ photon ánh sáng xảy kích thích điện tử vùng hoá trị Æ xuất điện tử tự vùng dẫn lỗ trống vùng hoá trị Chú ý: Æ Ánh sáng thấy có bước sóng ngắn dài khoảng 0,4 – 0,7 μm, ứng với lượng khoảng 1,8 – 3,1eV Æ vật liệu phi kim có độ rộng vùng cấm lớn 3,1 eV không hấp thụ ánh sáng thấy 18 Æ Mặt khác: bán dẫn có độ rộng vùng cấm nhỏ 1,8 eV hấp thụ toàn phổ ánh sáng thấy nhờ chuyển dời điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, chúng đục Æ Các vật liệu có độ rộng vùng cấm khoảng 1,8 – 3,1 eV có khả hấp thụ phần phổ ánh sáng nhìn thấy Æ mờ có màu Æ Sự hấp thụ xạ ánh sáng xảy chất điện môi có độ rộng vùng cấm lớn chuyển dời điện tử từ vùng hoá trị lên vùng cấm 19 •Hiện tượng truyền qua: Xét trường hợp ánh sáng qua vật rắn suốt - Đối với chùm tia tới có cường độ Io chiếu vào mặt phân pha mẫu có bề dày l hệ số hấp thụ β, cường độ tia sáng truyền qua tính: I T = I o (1 − R )2e − βt Trong đó: Æ R: độ phản xạ với giả thiết môi trường mặt trước mặt sau mẫu đồng 20 Như vậy, thành phần tia sáng truyền qua vật liệu phụ thuộc vào tổn hao hấp thụ phản xạ Các thông số độ hấp thụ, độ truyền qua phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng Hình vẽ thể mối quan hệ nêu thuỷ tinh 21 •Màu sắc: Các vật liệu suốt màu có giải bước sóng ánh sáng bị hấp thụ chọn lọc, màu sắc nhìn thấy kết tổng hợp bước sóng truyền qua Nếu hấp thụ xảy đồng với tất bước sóng nhìn thấy vật liệu thể không màu (thuỷ tinh vô tinh khiết, kim cương, saphia đơn tinh thể) Thông thường: Æ Hấp thụ chọn lọc kích thích điện tử Æ Kết màu sắc phụ thuộc vào phân bố chùm sáng truyền qua chùm sáng thứ cấp 22 12.4 Tính đục mờ chất cách điện - Mức độ đục mờ vật liệu điện môi suốt phụ thuộc vào đặc tính phản xạ bên truyền qua vật chất - Nhiều vật liệu điện môi vốn suốt trở nên mờ hay đục tượng phản xạ hay khúc xạ bên - Một chùm sáng lệch hướng nhoà nhiều lần tán xạ - Tính đục sinh khu mức độ tán xạ mạnh đến mức thực tế không chùm ánh sáng tới truyền qua không bị lệch tới mặt sau 23 12.5 Ứng dụng tượng quang học 12.5.1 Phát quang (phát ánh sáng lạnh): số vật liệu có khả hấp thụ lượng phát ánh sáng nhìn thấy Hiện tượng gọi tượng phát quang Æ Nếu tượng phát ánh sáng xảy sau thời gian ngắn (rất nhỏ 1s) gọi huỳnh quang Æ Nếu tượng phát ánh sáng xảy sau thời gian dài gọi lân quang 12.5.2 Quang dẫn: Tính dẫn điện chất bán dẫn phụ thuộc vào số điện tử tự vùng dẫn lỗ trống vùng hoá trị Năng lượng nhiệt ứng với dao động mạng thúc đẩy kích thích điện tử Có thể sản sinh thêm hạt tải bổ sung nhờ chuyển dời điện tử kích thích photon: độ dẫn điện tăng Æ tượng quang dẫn Æ Khi vật liệu quang dẫn chiếu sáng, độ dẫn điện tăng 24 ... tượng phát quang Æ Nếu tượng phát ánh sáng xảy sau thời gian ngắn (rất nhỏ 1s) gọi huỳnh quang Æ Nếu tượng phát ánh sáng xảy sau thời gian dài gọi lân quang 12.5.2 Quang dẫn: Tính dẫn điện chất bán... truyền qua chùm sáng thứ cấp 22 12.4 Tính đục mờ chất cách điện - Mức độ đục mờ vật liệu điện môi suốt phụ thuộc vào đặc tính phản xạ bên truyền qua vật chất - Nhiều vật liệu điện môi vốn suốt... mức lượng thấp phải bảo đảm bảo toàn lượng cho chuyển dời điện tử hấp thụ phát xạ 12.2 Các tính chất quang học kim loại - Xét trường hợp sơ đồ vùng lượng điện tử kim loại mô tả hình trên, hai