Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

Laboratorium z Nauki o Materiałach

Ćwiczenie nr 9:

WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH

III rok, studia niestacjonarne, technologia chemiczna

Temat ćwiczenia:

Właściwości optyczne materiałów ceramicznych

Data

wykonania:

14.04.2012

Nr ćwiczenia

9

Wykonał

mgr Józef Nawracaj

Prowadzący:

dr Grzegorz Grabowski

Ocena:

2

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zbadanie podstawowych właściwości optycznych wybranych

materiałów ceramicznych oraz na tej podstawie wyznaczenie widm adsorpcyjno-

refleksyjnych w zakresie długości fali światła widzialnego, określenie barwy chromatycznej

oraz powiązanie barwy chromatycznej wybranego materiału z jego budową.

Wstęp teoretyczny:

Ś

wiatło jest falą elektromagnetyczną poprzeczną, czyli taką gdzie kierunki drgań są

prostopadłe go kierunku rozchodzenia się. Podstawowe parametry każdej fali

elektromagnetycznej to:

• długość λ

• prędkość rozchodzenia się υ

Te dwie wielkości powiązane są w trzeci parametr, czyli częstotliwość: ν

λ

υ

ν

=

,

Zatem – przy stałej prędkości rozchodzenia się fali, charakterystycznej dla danego

ośrodka np. powietrza – wzrost długości fali oznacza spadek jej częstotliwości. Ta

prawidłowość ma podstawowe znaczenie w teorii korpuskularno- falowej światła, która

mówi, że rozchodzeniu się fali świetlnej towarzyszy przenoszenie energii w formie kwantów

podług zależności:

ν

ε

h

=

, gdzie h to stała Plancka

W fali o określonej długości ( czyli o określonej częstotliwości) wszystkie kwanty mają

tę samą energię.

Oprócz podanych wielkości do scharakteryzowania zjawiska światła potrzebna jest także

znajomość wektora natężenia pola elektrycznego.

W technologii ceramicznej w polu zainteresowania pozostaje światło widzialne, którego

zakres długości fal to 400 – 780 nm. Może być ono niespolaryzowane, wtedy nie zawiera

wyróżnionych kierunków drgań wektora pola elektrycznego lub spolaryzowane, jeżeli

kierunki drgań tego wektora są do siebie równolegle (czyli drgania odbywają się tylko w

jednej płaszczyźnie)

Rozchodzenie się fali świetlnej uzależnione jest od ośrodka, w którym się odbywa. Jeżeli

następuje z jednakową prędkością we wszystkich kierunkach to ośrodek jest optycznie

jednorodny. Przykładem jest chociażby powietrze czy próżnia a w przypadku ciał stałych

substancje krystalizujące w układzie regularnym oraz ciała bezpostaciowe.

3

Barwa

Barwa jest tą cechą światłą przedmiotów, którą odbieramy fizjologicznie. Za wrażenie

barwy odpowiada częstotliwość fali świetlnej. Światło monochromatyczne (o jednej stałej

częstotliwości) jest jednobarwne, natomiast światło które zwiera wszystkie fale z zakresu

ś

wiatła widzialnego jest światłem białym. Jego naturalnym źródłem jest słońce.

Sztucznymi źródłami światła są nagrzane do wysokiej temperatury gazy lub ciała stałe.

Każde źródło charakteryzuje widmo emisyjne czyli wykres zależności energii od

częstotliwości emitowanej fali.

W przypadku materiałów ich barwa powstaje w wyniku selektywnego odbicia lub

selektywnej absorpcji padającego promieniowania. W czasie przejścia lub odbicia światła

materiał absorbuje niektóre długości fali świetlnej i to ludzkie oko odbiera jako barwę.

Istnieję dwie podstawowe grupy barw występujących w przyrodzie: chromatyczne i

achromatyczne. Barwy chromatyczne składają się na światło widzialne. Przyjęło się

wyróżniać 7 podstawowych zakresów długości fal do których przypisuję się 7 podstawowych

barw chromatycznych. Natomiast barwy achromatyczne to kolor biały i czarny oraz wszystkie

odcienie szarości. Istnieją także barwy dopełniające. Każdej barwie chromatycznej odpowiada

pewne pasmo fal, które po zmieszaniu się z nią w określonych proporcjach tworzy światło

białe.

Na podstawie znajomości ilości światła zaabsorbowanego podczas przejścia lub odbicia

możemy sporządzić widmo absorpcyjne lub refleksyjne dla danego materiału. Jest to wykres

zależności pochłoniętej energii od częstotliwości padającej fali.

4

Wyniki pomiarów i ich opracowanie.

Pomiarów dokonywano na zautomatyzowanym kolorymetrze. Użyto 6 próbek dla

których

urządzenie

określało

w

procentach

stopień

przepuszczania

ś

wiatła

monochromatycznego o zadanej długości fali. Pomiar odbywał się w odniesieniu do pustej 7

celi urządzenia, dla której przepuszczalność wynosiła oczywiście 100 %.

W oparciu o uzyskane wyniki sporządzono widmo absorpcyjne dla poszczególnych

próbek. Pomiarów dokonywano w zakresie długości fali od 220 do 800 nm.

Długość fali Próbka 1

Próbka 2

Próbka 3

Próbka 4

Próbka 5

Próbka 6

200

0,82

0

0

0

0

30,2

210

0,87

0

0

0

0

43,08

220

0,89

0

0

0

0

54,96

230

0,9

0

0

0

0

60,34

240

0,88

0

0

0

0

61,59

250

0,86

0

0

0

0

64,19

260

0,84

0

0

0

0

67,19

270

0,85

0

0

0

0

68,77

280

0,79

0

0

0

0

69,8

290

0,77

0

0

0

0

70,7

300

0,92

0

0

0

0

71,4

310

0,91

0

0

0

0

72,11

320

0,87

0

0,26

0

0

72,25

330

0,83

0

3,74

0

0

73,32

340

0,78

0

9,81

0

0

73,91

350

0,69

1,94

13

0

0

74,37

360

0,87

9,64

12,68

0

0

74,36

370

2,46

17,17

10,13

0

1,29

76,15

380

2,62

16,12

8,29

0

4,63

76,61

390

2,81

28,19

7,09

0

10,6

77,1

400

2,92

34,86

6,4

0

18,89

77,54

410

0,9

34,64

6,4

0

27,88

76,71

420

1

33,47

6,65

0

37,85

77,21

430

0,96

31,07

7,48

0,03

45,85

77,52

440

0,93

27,95

8,86

0,08

53,09

77,86

450

0,92

25,63

10,95

0,33

59,07

78,23

460

0,95

21,57

13,76

1,26

63,56

78,63

470

0,88

13,86

17,31

3,79

67,35

78,93

480

0,92

6,38

21,49

8,53

69,17

79,27

490

0,83

2,14

26,37

15,67

71,02

79,53

500

0,89

0,72

31,47

23,54

70,91

79,89

510

0,68

0,17

36,94

31,77

69,75

80,05

520

0,72

0,03

42,11

37,18

67,12

80,34

530

0,68

0,02

47,22

41,23

63,56

80,54

540

0,68

0,02

51,84

42,77

58,67

80,77

550

0,64

0,01

56,04

41,53

52,94

81,05

560

0,67

0,02

59,67

39,26

46,62

81,36

570

0,69

0,02

62,75

36,24

40,16

81,59

5

580

0,74

0,01

65,31

33,08

33,97

81,83

590

1,03

0,01

67,38

30,25

28,29

82,02

600

3,23

0,01

68,75

27,63

23,41

82,25

610

18,44

0,01

70,12

26,6

19,2

82,46

620

50,32

0,02

70,82

25,96

15,78

87,62

630

69,74

0,02

71,32

26,21

13

82,83

640

77,63

0,02

71,53

27,49

10,84

82,99

650

80,66

0,02

71,43

28,52

9,24

83,2

660

81,92

0,02

71,39

30,82

7,95

83,35

670

82,56

0

71,12

33,69

7,02

83,51

680

83,01

0,08

70,74

36,89

6,37

83,64

690

83,03

1,39

69,94

37,4

5,98

83,84

700

83,24

7,9

69,47

41

5,65

83,69

710

83,51

17,93

68,82

44,77

5,52

84,11

720

83,28

24,82

68,07

44,75

5,51

84,27

730

83,2

27,44

67,26

50,81

5,6

84,4

740

83,19

27,54

66,44

53,6

5,79

84,52

750

82,98

26,6

65,4

55,38

6,08

84,73

760

82,93

25,12

64,71

58,21

6,38

84,82

770

82,8

23,63

63,81

60,06

6,79

84,92

780

82,68

22,2

62,95

61,58

7,26

85,05

790

82,46

20,9

61,98

62,12

7,84

85,22

800

82,4

19,57

61,29

63,95

8,39

85,3

Widma absorpcyjne dla poszczególnych próbek.

λ - długość fali [nm]

τ

λ

- współczynnik przepuszczania światła przez materiał

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

200

300

400

500

600

700

800

λ [nm]

τλ

Próbka nr. 1

6

0

5

10

15

20

25

30

35

40

200

300

400

500

600

700

800

λ [nm]

Próbka nr. 2.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

200

300

400

500

600

700

800

λ [nm]

τλ

Próbka nr. 3.

7

0

10

20

30

40

50

60

70

200

300

400

500

600

700

800

λ [nm]

τλ

Próbka nr. 4.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

200

300

400

500

600

700

800

λ [nm]

Próbka nr. 5.

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

200

300

400

500

600

700

800

λ [nm]

τλ

Próbka nr. 6.

Określenie długości fali dominującej i barwy chromatycznej.

Długość fali dominującej jest długością, przy której występuje maksymalna wartość

współczynnika przepuszczania światła czyli długość, przy której jego absorpcja jest

najmniejsza

• Próbka nr. 1. Wzrost wartości wskaźnika przepuszczania światła dla tej próbki

następuje skokowo i bardzo wyraźnie po przekroczeniu 600 nm. Stabilizuje się przy

długości fali 650 nm. Pozwala to stwierdzić, że barwą chromatyczną jest czerwona,

dla której pasmo wynosi 620 – 770 nm.

• Próbka nr. 2. Dla tej próbki wyraźny wzrost transmisji światła zachodzi w przedziale

od 390 do 430 nm, osiągając wartość maksymalną dla 400 nm. Odpowiada to pasmu

380 - 450 nm czyli fioletowej barwie chromatycznej. Należy zaznaczyć, że po

wygaszeniu transmisja światła wzrosła ponownie dla długości fal 710 – 800 nm, co

odpowiada pasmu przypisanemu do czerwonej barwy chromatycznej.

• Próbka nr. 3. Wyraźny wzrost wartości współczynnika przepuszczania światła

następuje dla długości fal powyżej 480 nm. Wartości maksymalne mają „rozłożony”

szczyt w przedziale 580 – 800 nm co odpowiada pasmom barwy pomarańczowej i

czerwonej.

• Próbka nr. 4. Próbka posiada dwa maksima transmisji światła. Jedno mniejsze przy

długości fali 540 nm, co odpowiada barwie zielonej i drugie powyżej 720 nm, co

odpowiada górnemu zakresowi barwy czerwonej. Absorpcja wyraźnie maleje w

9

kierunku podczerwieni, gdyż swojej minimum osiąga już poza widmem światła

widzialnego tj. powyżej 780 nm.

• Próbka nr. 5. Próbka posiada jedno wyraźne maksimum dla długości fali 490 nm.

Szczyt maksimum przypada na pasmo 480 – 510 nm, barwa chromatyczna -

niebieska.

• Próbka nr. 6. Od długości fal rozpoczynających widmo światła widzialnego tj. ok. 380

nm próbka wykazuje w miarę stało i wysoką wartość współczynnika przepuszczania

ś

wiatła, co wskazuje, że nie można jej przypisać długości fali dominującej. Zatem jest

przezroczysta. Wykonana zapewne ze szkła krzemionkowego.

Pochodzenie barwy chromatycznej:

W ciele stałym atomy i elektrony mogą przyjmować ściśle określone dozwolone

poziomy energetyczne. W dużym uproszczeniu można porównać to do swego rodzaju

schodów energetycznych. Jeżeli przy tym potraktujemy światło jako zjawisko rozchodzenia

się energii w formie „pakietów”, czyli kwantów, to każdy kwant przenosi określoną porcję

energii, która zależna jest przede wszystkim od długości fali. Dla światła widzialnego jest to

od 1 – 10 eV.

Wrażenie barwy w przypadku naszego badania jest wywołane poziomem absorpcji tej

energii w badanym materiale. Elektron może zabsorbować kwant energii i przejść do

położonego wyżej poziomu energetycznego a atom do wyżej położonego stanu oscylacyjnego

i rotacyjnego tylko wówczas, gdy energia fotonów jest równa różnicy dwu poziomów energii

elektronów lun atomów.

Tak, więc materiał o określonej nanostrukturze może absorbować fotony tylko o określonej

porcji energii, czyli światło o określonych długościach fal. Długości fal, które zostały

zabsorbowane w stopniu najmniejszym ( najwyższy wskaźnik przepuszczania światła)

dochodziły do oka ludzkiego sprawiając wrażenie barwy. Nanostruktura materiału działa,

zatem - z punktu widzenia oka ludzkiego – jak filtr, który zatrzymuje określone długości fal,

zamieniając energię fali elektromagnetycznej w inne rodzaj energii.

Wartość różnicy energii pomiędzy dwoma pasmami energetycznymi to szerokość

przerwy energetycznej.

Wartości te dla atomów leżą w zakresie energii fotonów promieniowania

podczerwonego natomiast dla elektronów odpowiadają energii fotonów z zakresu światła

widzialnego i nadfioletu. Wrażenie barwy jest wynikiem konfiguracji elektronowej

elementów sieci krystalicznej lub ciała amorficznego.

Wartości przerwy energetycznej dla materiałów przezroczystych są rzędu 10 eV. Dla

ceramicznych materiałów barwnych charakterystyczne są centra barwne, czyli lokalne

możliwości przejść elektronowych o wartości energii, które leżą w przedziale energii fotonów

10

ś

wiatła widzialnego. Zdolność tworzenia centrów barwnych posiadają niektóre kationy oraz

rekombinowane defekty punktowe.

Zdolność do tworzenia centrów barwnych posiadają pierwiastki grup przejściowych,

które poza cynkiem charakteryzują się niecałkowitym zapełnieniem wszystkich pięciu orbitali

3d, co stwarza możliwość przejścia elektronów na wyższe nieobsadzone poziomy.

Związki te tworzą tzw. tlenki barwiące, traktowane czasami jako zanieczyszczenia (

np. piaski szklarskie), ale również jako metoda nadawania pożądanych zabarwień - np.

wszelkiego rodzaju szkliwa ceramiczne, szkła barwne itp.