Расчетно-графическая работа по «Материаловедение»

Министерство  образования и науки Российской Федерации

 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСТИТЕТ

 

 

 Кафедра технологии и организации пищевых производств

 

 Расчетно-графическая работа по дисциплине «Материаловедение»

 

 

 

Выполнила: Ягодницына В. В.

Факультет: МА

Группа: ЭМ-112

 Проверила: Рогова О. В.

 

 

 

 

 

Новосибирск- 2012

 

Оглавление

Введение 3

1 История возникновения 4

2 Характеристика основных свойств 5

3 Оптические свойства стекла 8

4 Физические свойства драгоценных камней. 10

Введение

Целью моей работы является рассмотрение основных оптических свойств материалов на примере  металлов, стекла и драгоценных камней. Для этого я хочу изучить историю  изучения оптических свойств, основные характеристики и оптические свойства металлов, стекла и драгоценных камней.

В настоящее время, после того как была развита теория аномального скин-эффекта в металлах, достигнут значительный прогресс в понимании задач и возможностей металлооптики, осветить которые и является основной целью данной работы.

В работе затронуты следующие  вопросы, относящиеся к металло-оптике. А именно: рассмотрение области частот, где не имеет места квантовое поглощение (внутренний фотоэффект), т. е. имеем в виду в первую очередь инфракрасную часть спектра и не касаемся ультрафиолетовой, а в большинстве случаев и видимой его части. Далее, рассматривается только отражение света от массивного (т. е. достаточно толстого) металличе-

ского зеркала, а случай прохождения света через тонкие металли-

ческие плёнки не обсуждается. Кроме того, металл считается

в среднем изотропным, что отвечает случаю поликристаллов или,

в известном приближении (в частности, в случае нормального

скин-эффекта), случаю монокристаллических  образцов металлов,

обладающих кубической симметрией. Наконец, предполагается, что

магнитная проницаемость металла [ΐ = 1 и намагничение металла,

а также внешнее магнитное поле равны нулю.

 

 

1 История возникновения

 

Несмотря на то, что изучение оптических свойств металлов

проводится уже много десятков лет, современное состояние метал-

лооптики является неудовлетворительным, особенно в

экспериментальном отношении. Действительно, исследование поляризации

и интенсивности света различной  частоты, отражаемого металлической  поверхностью при разных углах падения, позволяет определить две характеризующие  металл величины — эффективный пока-

затель преломления n_эфф(ω) и эффективный показатель поглоще-

ния x_эфф(ω). Вместе с тем, полные данные

этих показателей имеются только для Аи, Ag и Си. При этом они получены в 1913 г. и не могут считаться надёжными и точными из-за несовершенства использованных металлических поверхностей. Значительно больше данных имеется относительно поглощательной способности металлов при нормальном падении Α (ω) = 1 — r (ω), где r (ω) — коэффициент отражения при нормальном падении. Однако одной величины Α (ω) совершенно

недостаточно для полной характеристики оптических свойств металла, для  чего, как сказано, нужно знать  две величины, т. е.

n_эфф(ω) и x_эфф (ω) или две их независимые комбинации, в качестве

одной из которых можно выбрать Α (ω).

Подобное состояние эксперимента связано, во-первых, с весьма

распространённым непониманием задач  металлооптики с точки

зрения получения сведений, ценных и нужных для электронной

теории металлов. Вторая и при  этом более глубокая причина не-

удовлетворительного состояния металлооптики  состоит в том, что

до самого последнего времени была не осознана необходимость

применять в оптической части спектра  в большинстве случаев

теорию аномального скин-эффекта, а не теорию нормального (обычного) скин-эффекта, основанную на использовании  понятия о комплексной диэлектрической постоянной металла. Это обстоятельство

в сочетании с трудностью учёта  влияния не идеальности отражаю-

щей поверхности препятствовало сравнению  теории с опытом

и приводило в ряде случаев к неправильной интерпретации экспериментальных данных.

 

2 Характеристика основных свойств

Металлооптика-раздел оптики в котором изучается взаимодействие металлов с электромагнитными волнами.

Основные  оптические особенности металлов: большой  коэффициент отражения R (например, у щелочных металлов R Металлооптика 99%) в широком диапазоне длин волн и большой коэффициент поглощения (электромагнитная волна внутри металла затухает, пройдя слой толщиной δ Металлооптика 0,1÷1․10^-5 см,). Эти особенности связаны с высокой концентрацией в металле электронов проводимости.

Взаимодействуя с электромагнитной волной, падающей на поверхность металла. электроны проводимости одновременно взаимодействуют с колеблющимися ионами решётки. Основная часть энергии, приобретённой ими от электромагнитного поля, излучается в виде вторичных волн, которые, складываясь, создают отражённую волну. Часть энергии, передаваемая решётке, приводит к затуханию волны внутри металла. Электроны проводимости могут поглощать сколь угодно малые кванты электромагнитной энергии ћω (ћ —постоянна Планка, ω — частота излучения). Поэтому они дают вклад в оптические свойства металла при всех частотах. Особенно велик их вклад в радиочастотной и инфракрасной областях спектра. По мере увеличения ω вклад электронов проводимости в оптические свойства металлов уменьшается, уменьшается и различие между металлами и диэлектриками.

Остальные валентные электроны  влияют на оптические свойства металла только, когда они участвуют во внутреннем фотоэффекте, что происходит при ћω ≥ ΔE (ΔE — энергетическая щель между основным и возбуждённым состояниями электронов). Возбуждение электронов приводит к аномальной дисперсии волн и к полосе поглощения с максимумом вблизи частоты резонансного поглощения. Благодаря сильному электрон-электронному и электрон-ионному взаимодействию полосы поглощения в металле значительно шире, чем в диэлектрике. Обычно у металлов наблюдается несколько полос, расположенных главным образом в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Однако для ряда поливалентных металлов наблюдаются полосы и в инфракрасной области спектра. При частотах ω ≥ ω_п, где ω_п — плазменная частота валентных электронов, в металле возбуждаются плазменные колебания электронов. Они приводят к появлению области прозрачности при ω ≈ ω_п.

В ультрафиолетовой области коэффициент  отражения R падает и металлы по своим свойствам приближаются к диэлектрикам. При ещё больших частотах (рентгеновская область) оптические свойства определяются электронами внутренних оболочек атомов и металлы по оптическим свойствам не отличаются от диэлектриков.

Оптические  свойства металлов описываются комплексной  диэлектрической проницаемостью:

где ε' — вещественная диэлектрическая  проницаемость, σ — проводимость металла, или комплексным показателем  преломления:

(κ  — показатель поглощения). Комплексность  показателя преломления выражает  экспоненциальное затухание волны  внутри металла. При падении  плоской волны на поверхность  металла под углом φ ≠ 0 волна  внутри металла будет неоднородной. Плоскость равных амплитуд параллельна  поверхности металла, плоскость  равных фаз наклонена к ней  под углом, величина которого  зависит от φ. Волны, отражённые  от поверхности металла, поляризованные  в плоскости падения и перпендикулярно  к ней, имеют разность фаз.  Благодаря этому плоскополяризованный свет после отражения становится эллиптически-поляризованным. Коэффициент отражения R волн, поляризованных в плоскости падения, у металлов, в отличие от диэлектриков, всегда ≠ 0, и лишь имеет минимум при определённом φ.

Для чистых металлов при низкой температуре  в длинноволновой области спектра  длина свободного пробега электронов l становится > δ. При этом затухание волны перестаёт быть экспоненциальным, хотя и остаётся очень сильным (аномальный скин-эффект). В этом случае комплексный показатель преломления теряет смысл и связь между падающей и преломленной волной становится более сложной. Однако свойства отражённого света при любом соотношении между l и δ полностью определяются поверхностным импедансом Z, с которым связывают эффективные комплексные показатели поглощения и преломления:

n_эф — iκ_эф = 4π/(cZ).

При l < δ величины n и κ в формулах заменяются на n_эф и κ_эф.

Для измерения n и κ массивного металлического образца исследуют свет, отражённый от его поверхности, либо поляризационными методами (измеряются характеристики эллиптической поляризации отражённого света), либо методами, основанными на измерении R (в широком спектральном диапазоне) при нормальном падении его на поверхность металла. Эти методы позволяют измерить оптические характеристики в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях с ошибкой Металлооптика0,5—2%. Для измерения тонкой структуры полос поглощения используются методы, основанные на модуляции свойств металла, приводящей к модуляции интенсивности отражённого света, которая и измеряется (термоотражение и т.п.). Указанные методы позволяют с большой точностью определить изменения R при изменении температуры, при деформации и т.п. (рис 1.), а также исследовать тонкую структуру полос поглощения. Особое внимание уделяется приготовлению поверхности исследуемых образцов. Поверхности нужного качества получаются электрополировкой или испарением металла в вакууме с последующим осаждением его на полированные подложки.

 

Рис 1. Оптические характеристики некоторых металлов

--------------------------------------------------------------------------------------

|           | λ = 0,5 мкм                 | λ = 5,0 мкм                |

|           |------------------------------------------------------------------------|

|           | n       | κ       | R %       | n      | κ.         | R %    |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Na*     | 0,05   | 2,61  | 99,8       | —     | —        | -—      |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Cu      | 1,06   | 2,70  | 63,2       | 3,1    | 32,8     | 98,9    |

| Ag      | 0,11   | 2,94  | 95,5       | 2,4    | 34,0     | 99,2    |

| Au      | 0,50   | 2,04  | 68,8       | 3,3    | 35,2     | 98,95  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Zn       | —      | —     | —          | 3,8    | 26,2     | 97,9    |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Al       | 0,50   | 4,59  | 91,4       | 6,7    | 37,6     | 98,2    |

| In        | —      | —     | —          | 9,8    | 32,2     | 96,6    |        

|------------------------------------------------------------------------------------|         

| Sn      | 0,78   | 3,58  | 80,5       | 8,5    | 28,5     | 96,2    |        

| Pb      | 1,70   | 3,30  | 62,6       | 9,0    | 24,8     | 95,0    |        

|------------------------------------------------------------------------------------|         

| Ti        | 2,10   | 2,82  | 52,2       | 3,4    | 9,4       | 87,4    |        

|------------------------------------------------------------------------------------|         

| Nb      | 2,13   | 3,07  | 56,0       | 8,0    | 27,7     | 96,2    |        

| V        | 2,65   | 3,33  | 56,6       | 6,6    | 17,5     | 92,7    |        

|------------------------------------------------------------------------------------|         

| Mo      | 3,15   | 3,73  | 59,5       | 4,25  | 23,9     | 97,2    |        

| W       | 3,31   | 2,96  | 51,6       | 3,48  | 21,2     | 97,0    |        

|------------------------------------------------------------------------------------|         

| Fe       | 1,46   | 3,17  | 63,7       | 4,2    | 12,5     | 90,8    |        

| Co      | 1,56   | 3,43  | 65,9       | 4,3    | 14,6     | 92,9    |        

| Ni       | 1,54   | 3,10  | 61,6       | 4,95  | 18,5     | 94,8    |        

|------------------------------------------------------------------------------------|         

| Pt       | 1,76   | 3,59  | 65,7       | 7,6    | 20,2     | 93,7    |        

--------------------------------------------------------------------------------------         

         

  * Оптические характеристики относятся к λ = 0,5893 мкм.        

         

 М. позволяет по оптическим  характеристикам, измеренным в  широком спектральном диапазоне,  определить основные характеристики  электронов проводимости и электронов, участвующих во внутреннем фотоэффекте.  М. имеет также и прикладное  значение. Металлические зеркала  применяются в различных приборах, при конструировании которых  необходимо знание R, n и κ в различных областях спектра. Измерение n и κ позволяет также установить наличие на поверхности металла тонких плёнок (например, плёнки окиси) и определить их оптические характеристики.        

 

 

 

3 Оптические свойства стекла

 

 Высокая прозрачность оксидных стекол к излучению оптического  диапазона света сделала их незаменимыми материалами для остекления зданий и различных видов транспорта, изготовления светильников, зеркал и  оптических приборов, включая лазерные, ламп различного ассортимента и назначения, осветительной аппаратуры, телевизионной, кино- и фототехники и т.д.