TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH – LABORATORIUM		2010/2011
Katarzyna Plebanek, Krzysztof Szpak, Dariusz Gałek		Rok III	Grupa 2
Numer Ćwiczenia 1	WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE SZKIEŁ	Ocena

I. Cel ćwiczenia

Charakterystyka barwy wytopionych szkieł z dodatkiem związków kobaltu (niebieskie) i chromu (zielone) oraz szkła z naniesioną warstwą hybrydową (oranż i czerwień).

II. Wstęp teoretyczny

Szkło jest przezroczyste dla światła widzialnego, a współczynnik załamania światła może być regulowany przez odpowiednie dodatki tlenków, np. ołowiu (rys. 1). Podobnie można zmieniać zabarwienie przez dodatki tlenków metali przejściowych, co może nawet doprowadzić do utraty przezroczystości. Szkło jest izolatorem elektrycznym, a także cechuje się bardzo małą przewodnością cieplną. Szkło może być hartowane termicznie lub chemicznie albo umacniane chemicznie niskotemperaturowo, co zapewnia umocnienie szkła lub jego powierzchni.

Rys. 1. Schemat przechodzenia energii słonecznej przez szkło przezroczyste i antysolowe (według Societa Italiana Vetro)

Zjawisko barwy w szkle może być wynikiem selektywnego pochłaniania względnie selektywnego rozpraszania promieniowania o częstości światła widzialnego.

Selektywne pochłanianie promieniowania zachodzi wówczas. gdy w szkle, które z natury rzeczy jest izolatorem, obecne są w strefie energii wzbronionej dodatkowe poziomy donorowe lub akceptorowe, których odległość od pasma walencyjnego lub pasma przewodnictwa jest rzędu wartości energii światła widzialnego (1-3 eV). Występowanie dodatkowych poziomów energetycznych może być związane:

• z defektami elektronowymi w strukturze (tworzenie się quazi swobodnych elektronów lub dziur elektronowych);

• z obecnością domieszek w postaci jonów metali przejściowych (d-elektronowych) lub
  ziem rzadkich (f-elektronowych) - barwniki jonowe (Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Nd itp.) i
  cząsteczkowe (FeS).

Selektywne rozpraszanie promieniowania wiąże się z obecnością w szkle zawiesiny utworzonej w szkle przez aglomeraty atomów lub cząsteczek o wielkości około 200 nm – barwniki koloidalne i krystaliczne (Ag, Au, Se, CU+CU2O, CdS, CdSe itp.).

Barwę w szkle możemy scharakteryzować przy pomocy:

• zależności transmisji (absorpcji) światła od długości fali światła lub liczby falowej;

• współczynników trójchromatycznych, umożliwiających odwzorowanie danej barwy na trójkącie barw;

• długości fali dominującej i stopnia nasycenia barwy.

Powyższą charakterystykę można przeprowadzić opierając się na danych doświadczalnych, które stanowią wyniki pomiarów przepuszczalności promieniowania elektromagnetycznego. Pomiar przepuszczalności (absorpcji) światła dla określonych długości fal wykonuje się przy pomocy spektrofotometrów (źródło światła – monochromator – próbka badana – fotoogniwo – rejestrator).

III. Wykonanie ćwiczenia

Na podstawie otrzymanych z pomiarów spektrofotometrycznych szkieł wykresów transmisji światła x = f(X), obliczyć:

• współczynniki trójchromatyczne wg podanych wzorów,

• nanieść punkt, odpowiadającej barwie szkła na trójkąt barw;

• odczytać z wykresu długość fali dominującej i obliczyć stopień nasycenia barwy.

Obliczanie współczynników trójchromatycznych przeprowadzić wg wzorów:

gdzie:

– współczynnik z tablic

τ_λ – wartości przepuszczalności dla poszczególnych długości fali świetlnej

Na podstawie znajomości współczynników X i Y znaleźć punkt odpowiadający danej barwie na trójkącie barw B p_B (x_B, y_B). Punkt ten połączyć z punktem E o współrzędnych x_E = 0,32, y_E = 0,32. Punkt D o współrzędnych p_D (x_D, y_D) i długości fali λ_D odpowiada długości fali dominującej. Stopień nasycenia barwy A (w skali %) obliczyć wg. wzoru:

Rys. 2. Trójkąt barw

IV. Wnioski

Nasycenie to właściwość wrażenia wzrokowego umożliwiająca ocenę udziału barwy chromatycznej, czystej, we wrażeniu ogólnym. Różnicuje ono barwy nasycone i nienasycone. Z punktu widzenia fizyki nasycenie barwy można w przybliżeniu określić na podstawie składu widmowego barwy. Im większe nasycenie barwy, tym mniejszy udział w jej widmie promieniowania fal o innych długościach niż fali dominującej, która, jak wiadomo, wiąże nasycenie z odcieniem barwy. Wielkość nasycenia jest również ściśle związana z jej jasnością (jaskrawością). Przykładowo: barwami nienasyconymi są pastele, gdyż zawierają więcej światła białego niż barwy żywe, intensywne. Odpowiednikiem nasycenia w kolorymetrii jest czystość pobudzenia (pe) lub kolorymetryczna (pc). Wyrażają one stopień nasycenia barwy, który jest wyznaczany przez stosunek ilości światła monochromatycznego o równoważnej długości fali do ilości światła białego. Im większe jest nasycenie barwy, tym większa jego wartość. Barwa o pełnym nasyceniu ma wartość równą jedności, zaś biel – wartość zero.