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.