Đặc tính quang của chất rắn được hiểu là phản ứng của chất rắn đối với các tác động của bức xạ điện từ và đặc biệt là ánh sáng nhìn thấy. Khi chiếu một tia sáng vào chất rắn, có thể xảy ra các hiện tượng sau: truyền qua (transmission), khúc xạ (refraction), phản xạ (reflection) và hấp thụ (absorption). Mỗi loại chất rắn sẽ có khả năng tương tác khác nhau với các hiện tượng trên.
V.1. Khúc xạ
Khúc xạ là hiện tượng khi ánh sáng đi vào chất rắn bị gãy ở bề mặt và thay đổi vận tốc trong chất rắn.
Chỉ số khúc xạ hay còn gọi là chiết suất của một chất rắn là tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không c và tốc độ pha của bức xạ điện từ trong chất rắn:
n = = = (5.1) Trong đó:
+ , là hằng số điện môi và độ từ thẩm trong môi trường đẳng hướng bất kì. + , là hằng số điện môi và độ từ thẩm trong chân không, = , .
+ , là hằng số điện môi tỉ đối và độ từ thẩm tỉ đối của chất rắn.
V.2. Phản xạ
Phản xạ là hiện tượng khi ánh sáng đi vào chất rắn có một phần bị phản xạ trở lại ở mặt phân cách.
TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH
Hệ số phản xạ R() được xác định bằng tỷ số cường độ ánh sáng phản xạ (λ) và cường độ ánh sáng tới (λ): R() = (5.2)
Đây là đại lượng không có thứ nguyên, thường biểu diễn dưới dạng phần trăm (%). Hệ số phản xạ đối với một chất rắn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới R = f(λ). Sự phụ thuộc đó gọi là phổ phản xạ.
V.3. Hấp thụ
Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng môi trường vật chất làm giảm cường độ của chùm ánh sáng truyền qua nó.
Bức xạ ánh sáng được hấp thụ theo hai cơ chế:
Cơ chế 1: Hấp thụ do phân cực điện tử .
Cơ chế hấp thụ này đóng vai trò quan trọng ở tần số ánh sáng lân cận tần số hồi phục của nguyên tử. Bản chất ánh sáng là sóng điện từ nên có tương tác với đám mây electron bao quanh nguyên tử, tạo nên sự phân cực điện tử.
Hệ quả: + Đám mây electron của nguyên tử bị biến dạng, lệch so với hạt nhân. + Một phần năng lượng ánh sáng bị hấp thụ.
+ Vận tốc ánh sáng bị chậm lại tạo nên sự khúc xạ.
Cơ chế 2: Hấp thụ do sự chuyển mức điện tử từ dải hóa trị và dải dẫn.
Cơ chế hấp thụ này phụ thuộc vào cấu trúc dải năng lượng của chất rắn. Electron thuộc lớp vỏ nguyên tử, ion nhận năng lượng ánh sáng, nhảy từ trạng thái bền lên trạng thái kích thích. Chỉ những bức xạ có năng lượng thích hợp mới giúp electron chuyển sang trạng thái kích thích (bước sóng đó bị hấp thụ):
= (5.3) + Electron tiếp nhận năng lượng từ photon và nhảy lên mức năng lượng cao hơn hấp thụ tự phát (hình V.3.1a).
TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH
+ Electron bức xạ ra năng lượng dưới dạng photon và nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn bức xạ tự phát (hình V.3.1b)
Hệ số hấp thụ (λ)
Năm 1729, Bouguer đã thiết lập định luật hấp thụ ánh sáng có nội dung như sau:
“Cường độ ánh sáng truyền qua một môi trường giảm theo quy luật hàm mũ”. Từ đây ta đi xây dựng hệ số hấp thụ (λ).
Giả sử một chùm tia sáng đơn sắc song song có cường độ rọi vuông góc vào môi trường đồng tính có chiều dày L được giới hạn bởi hai mặt song song (hình V.3.2). Do có sự hấp thụ mà cường độ ánh sáng ra khỏi môi trường < . Chia mẫu vật thành vô số các lớp mỏng có độ dày là dx, chọn phương x là phương truyền của chùm tia sáng, còn gốc tọa
độ O nằm ở mặt trước của môi trường mà ánh sáng truyền qua. Độ giảm cường độ dI trong lớp mỏng có độ dày dx của chất hấp thụ tỷ lệ với độ dày dx và với cường độ của ánh sáng tới. Ta có:
dI = - .I.dx (5.4) Dấu “-” chỉ sự giảm cường độ khi ánh sáng đi qua môi trường, là hệ số tỉ lệ.
TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH
Để tìm cường độ I của ánh sáng khi ra khỏi chất hấp thụ, ta lấy tích phân hai vế biểu thức (5.4), trong đó cận x chạy từ 0 đến L và vì không phụ thuộc vào x nên ta đưa ra khỏi dấu tích phân:
= - hay - = -
do đó = (5.5) Từ đây ta cũng suy ra hệ số hấp thụ: (λ) = (5.6)
Như vậy, hệ số hấp thụ (λ) được xác định bởi phần cường độ ánh sáng bị suy giảm khi đi qua một đơn vị bề dày mẫu; (λ) được xem như xác suất hấp thụ photon ánh sáng trên bề mặt đơn vị bề dày mẫu.
Hệ số hấp thụ có thứ nguyên là nghịch đảo của một đơn vị dài (). Nó phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, sự phụ thuộc = f(λ) gọi là phổ hấp thụ, vì thế ta nói sự hấp thụ có tính chọn lọc.
V.4. Truyền qua
Hệ số truyền qua T( được xác định bằng tỷ số giữa cường độ ánh sáng truyền qua mẫu và cường độ ánh sáng tới:
T( = (5.7) Với T( là đại lượng không thứ nguyên, thường biểu diễn dưới dạng phần trăm (%). Khi chùm sáng tới có cường độ chiếu tới bề mặt mẫu có bề dày L và hệ số hấp thụ , cường độ của tia truyền qua ở mặt sau là:
= (5.8) với R là hệ số phản xạ. Khi đó hệ số truyền qua T( = . (5.9)
Hệ số truyền qua phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, sự phụ thuộc đó gọi là phổ truyền qua của mẫu.
TL VẬT LÝ CHẤT RẮN GVHD: LÊ ĐÌNH
V.5. Mối quan hệ giữa các hệ số quang của chất rắn
Khi ánh sáng đến bề mặt chất rắn, cường độ ánh sáng tới (λ) bị phân tách thành ba phần: một phần đi qua có cường độ sáng , một phần bị hấp thụ có cường độ sáng và một phần bị phản xạ có cường độ sáng .
(λ) = + + (5.10) Hay = + + T + + R = 1 (5.11)
Khi R = max vật thể màu trắng.
Khi = max vật thể màu đen.
Khi T = max vật thể trong suốt.