材料研究方法(3)

1、材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-111/38材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-112/38Chapter 2 Light Microscope第二章第二章 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析Reference:1. Encyclopedia of Materials Characterization. C.R Brundle, et al. Butterworth-Heinemann.2. 王培銘、許乾慰。材料研究方法材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-113/38本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)p 晶體光

2、學(xué)的歷史發(fā)展，晶體光學(xué)理論基礎(chǔ)，晶體光學(xué)的歷史發(fā)展，晶體光學(xué)理論基礎(chǔ)，自然自然光和偏振光，光和偏振光，光學(xué)顯微分析方法，樣品制備，新進(jìn)光學(xué)顯微分析方法，樣品制備，新進(jìn)展，應(yīng)用；展，應(yīng)用；p 重點(diǎn)是光學(xué)顯微形式與材料顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系，重點(diǎn)是光學(xué)顯微形式與材料顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系，光光學(xué)顯微分析學(xué)顯微分析在材料研究中的應(yīng)用；在材料研究中的應(yīng)用； p 難點(diǎn)是從光學(xué)顯微照片解析出對(duì)應(yīng)的材料結(jié)構(gòu)。難點(diǎn)是從光學(xué)顯微照片解析出對(duì)應(yīng)的材料結(jié)構(gòu)。第第 2 2 章章 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-114/38第第 2 2 章章 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析 2.1 2

3、.1 概述概述 光學(xué)顯微分析的發(fā)展光學(xué)顯微分析的發(fā)展p1515世紀(jì)中葉：放大鏡（單式顯微鏡）世紀(jì)中葉：放大鏡（單式顯微鏡）p15901590年荷蘭年荷蘭 Hans and Zacharias JanssenHans and Zacharias Janssen： 復(fù)式顯微鏡復(fù)式顯微鏡p1717世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉R. HookeR. Hooke： 第一臺(tái)性能較好的顯微鏡第一臺(tái)性能較好的顯微鏡p Christiaan HuygensChristiaan Huygens：惠更斯目鏡：惠更斯目鏡 p 1919世紀(jì)德國(guó)世紀(jì)德國(guó) Ernst Abbe Ernst Abbe 闡明光學(xué)顯微鏡成像原闡明光學(xué)顯微鏡成

4、像原理，光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)達(dá)理，光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)達(dá)0.20.2微米理論極限微米理論極限 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-115/38材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-116/38 透鏡是一種將光線聚合或分散的設(shè)備，通常是由一片玻璃透鏡是一種將光線聚合或分散的設(shè)備，通常是由一片玻璃構(gòu)成，但用于其他電磁輻射的類似設(shè)備通常也稱為透鏡：例構(gòu)成，但用于其他電磁輻射的類似設(shè)備通常也稱為透鏡：例如，由石蠟制成的微波透鏡，用玻璃、樹脂或水晶等透明材如，由石蠟制成的微波透鏡，用玻璃、樹脂或水晶等透明材料制成的放大鏡、眼鏡等，也都是透鏡。料制成的放大

5、鏡、眼鏡等，也都是透鏡。 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-117/38材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-118/381665） 1665 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-119/38列文虎克和他的顯微鏡（約1680）材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1110/38已知最古老的公開顯微照片已知最古老的公開顯微照片:蜜蜂，由蜜蜂，由Francesco Stelluti于于1630發(fā)表發(fā)表 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1111/38材料研究方

6、法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1112/38光學(xué)顯微鏡分類光學(xué)顯微鏡分類 幾何光學(xué)顯微鏡幾何光學(xué)顯微鏡 生物顯微鏡、落射光顯微鏡、倒置顯微鏡、金相生物顯微鏡、落射光顯微鏡、倒置顯微鏡、金相顯微鏡、暗視野顯微鏡等。顯微鏡、暗視野顯微鏡等。 物理光學(xué)顯微鏡物理光學(xué)顯微鏡 相差顯微鏡、偏光顯微鏡、干涉顯微鏡、相差偏相差顯微鏡、偏光顯微鏡、干涉顯微鏡、相差偏振光顯微鏡、相差干涉顯微鏡、相差熒光顯微鏡等振光顯微鏡、相差干涉顯微鏡、相差熒光顯微鏡等。 信息轉(zhuǎn)換顯微鏡信息轉(zhuǎn)換顯微鏡 熒光顯微鏡、顯微分光光度計(jì)、圖像分析顯微鏡熒光顯微鏡、顯微分光光度計(jì)、圖像分析顯微鏡、聲學(xué)顯微鏡、照相

7、顯微鏡、電視顯微鏡等。、聲學(xué)顯微鏡、照相顯微鏡、電視顯微鏡等。 特種光學(xué)顯微鏡特種光學(xué)顯微鏡 高溫顯微鏡、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等。高溫顯微鏡、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等。材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1113/38光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡透射光顯微鏡透射光顯微鏡反射光顯微鏡反射光顯微鏡材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1114/38材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1115/38材料物相結(jié)構(gòu)的顯微分析材料物相結(jié)構(gòu)的顯微分析p 許多材料或生產(chǎn)材料所用的原料都是由各種各樣的許多材料或生產(chǎn)材料所用的原料都是由各種各樣的晶體組成

8、的。晶體組成的。p 不同材料的晶相組成直接影響到它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；不同材料的晶相組成直接影響到它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；p 對(duì)于各種材料及其原料的性能、質(zhì)量的評(píng)價(jià)，除了對(duì)于各種材料及其原料的性能、質(zhì)量的評(píng)價(jià)，除了考慮其化學(xué)組成外，還必須考慮它的晶相組成及顯微結(jié)考慮其化學(xué)組成外，還必須考慮它的晶相組成及顯微結(jié)構(gòu)。構(gòu)。p 所謂顯微結(jié)構(gòu)就是指構(gòu)成材料的晶相形貌、大小、所謂顯微結(jié)構(gòu)就是指構(gòu)成材料的晶相形貌、大小、分布以及它們之間的相互關(guān)系。分布以及它們之間的相互關(guān)系。 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1116/38材料物相結(jié)構(gòu)的顯微分析材料物相結(jié)構(gòu)的顯微分析p 利用光學(xué)顯微分析

9、技術(shù)進(jìn)行物相分析就是研究利用光學(xué)顯微分析技術(shù)進(jìn)行物相分析就是研究材料和其原料的物相組成及顯微結(jié)構(gòu)，材料和其原料的物相組成及顯微結(jié)構(gòu)，p 并以此來(lái)研究形成這些物相結(jié)構(gòu)的工藝條件和并以此來(lái)研究形成這些物相結(jié)構(gòu)的工藝條件和產(chǎn)品性能間的關(guān)系。產(chǎn)品性能間的關(guān)系。材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1117/382.2 2.2 晶體光學(xué)基礎(chǔ)晶體光學(xué)基礎(chǔ)2.2.1 2.2.1 光的物理性質(zhì)光的物理性質(zhì)1. 1. 光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性n光的波粒二象性光的波粒二象性n波動(dòng)學(xué)說(shuō)解釋晶體光學(xué)波動(dòng)學(xué)說(shuō)解釋晶體光學(xué)n橫波與縱波橫波與縱波n電磁波譜電磁波譜 可見(jiàn)光：可見(jiàn)光： 3900-7700

10、3900-7700埃?？v波橫波材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1118/38電磁波譜電磁波譜光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析使用波段：使用波段：可見(jiàn)光波段可見(jiàn)光波段390770nm材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1119/382. 2. 自然光和偏振光自然光和偏振光 自然光：垂直于光的傳播方向振動(dòng)，在垂直于光的自然光：垂直于光的傳播方向振動(dòng)，在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)的任意方向振動(dòng)。傳播方向的平面內(nèi)的任意方向振動(dòng)。 偏振光：垂直于光的傳播方向振動(dòng)，且只在垂直于光偏振光：垂直于光的傳播方向振動(dòng)，且只在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)的某一方向振

11、動(dòng)。的傳播方向的平面內(nèi)的某一方向振動(dòng)。材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1120/381. 1. 光的折射光的折射 光的折射定律光的折射定律 2.2.2 2.2.2 光與固體物質(zhì)的相互作用光與固體物質(zhì)的相互作用 一束光入射到固體物質(zhì)的表面，會(huì)產(chǎn)生光的折射一束光入射到固體物質(zhì)的表面，會(huì)產(chǎn)生光的折射、反射和吸收等現(xiàn)象，其折射、反射和吸收性能和光的、反射和吸收等現(xiàn)象，其折射、反射和吸收性能和光的性能、入射方法及固體物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。性能、入射方法及固體物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1121/38材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯

12、微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1122/38光的折射特點(diǎn)：光的折射特點(diǎn)：1 1）介質(zhì)中光傳播的速度愈大，則該介質(zhì)的折射率愈小；）介質(zhì)中光傳播的速度愈大，則該介質(zhì)的折射率愈??； V Vi i/V/Vr r=N=Nr r/N/Ni i2 2）光在真空中的傳播速度最大，）光在真空中的傳播速度最大，n n 1 13 3）同一介質(zhì)的折射率因所用光波波長(zhǎng)而異（折射率色散）同一介質(zhì)的折射率因所用光波波長(zhǎng)而異（折射率色散） 對(duì)于同一介質(zhì)，光波的波長(zhǎng)與折射率成反比。對(duì)于同一介質(zhì)，光波的波長(zhǎng)與折射率成反比。4 4）晶體的折射率色散能力）晶體的折射率色散能力 晶體的折射率色散能力，是指晶體在兩種波長(zhǎng)光波晶體的折射

13、率色散能力，是指晶體在兩種波長(zhǎng)光波中測(cè)定的折射率的差值。中測(cè)定的折射率的差值。 差值越大，色散能力越強(qiáng)，反之則越弱。差值越大，色散能力越強(qiáng)，反之則越弱。 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1123/38 2.2.光的吸收光的吸收p 一束光線照射到物質(zhì)的表面，一部分光線被一束光線照射到物質(zhì)的表面，一部分光線被反射，另一部分光線透過(guò)（透明材料），還有一反射，另一部分光線透過(guò)（透明材料），還有一部分光線要被物質(zhì)所吸收。部分光線要被物質(zhì)所吸收。p 光的吸收主要是光的波動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能等其他光的吸收主要是光的波動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能等其他形式的結(jié)果。形式的結(jié)果。材料研究方法材料研究方

14、法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1124/38)exp(xIIxJ. H. Lambert 吸收指數(shù)定律吸收指數(shù)定律 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1125/38 3.3.光的反射光的反射n 根據(jù)反射的基本定律，以反射表面法線為基準(zhǔn)根據(jù)反射的基本定律，以反射表面法線為基準(zhǔn)的入射角和反射角是相等的，入射光線、反射光的入射角和反射角是相等的，入射光線、反射光線和反射表面法線處于同一平面上。線和反射表面法線處于同一平面上。n 在精拋光平表面上可獲得單向反射（表面不平在精拋光平表面上可獲得單向反射（表面不平整度小于光波長(zhǎng)），而在粗糙表面上則呈漫反射整度小于光

15、波長(zhǎng)），而在粗糙表面上則呈漫反射。材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1126/38 3.3.光的反射光的反射n 反射光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)取決于表面的本性和反射反射光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)取決于表面的本性和反射介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)。介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)。n 通常具有不定域電子的導(dǎo)電體或半導(dǎo)體材料是通常具有不定域電子的導(dǎo)電體或半導(dǎo)體材料是不透明的，并且呈現(xiàn)很好的反射率。不透明的，并且呈現(xiàn)很好的反射率。n 而以離子或共價(jià)鍵特征為主的材料是透明的，而以離子或共價(jià)鍵特征為主的材料是透明的，但有時(shí)是有色的。但有時(shí)是有色的。n 這是由于流動(dòng)的電子會(huì)吸收任何波長(zhǎng)的光，而這是由于流動(dòng)的電子會(huì)吸收任何波長(zhǎng)的光，

16、而鍵合電子只與個(gè)別波長(zhǎng)的光相互作用。鍵合電子只與個(gè)別波長(zhǎng)的光相互作用。 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1127/38 3.3.光的反射光的反射n 物質(zhì)對(duì)投射在它的表面或磨光面上光線的反射物質(zhì)對(duì)投射在它的表面或磨光面上光線的反射能力稱為反射力。表示反射力大小的數(shù)值稱為反能力稱為反射力。表示反射力大小的數(shù)值稱為反射率：射率： (2.3)(2.3)n 式中：式中：R為反射率，為反射率，Ir為反射光的強(qiáng)度，為反射光的強(qiáng)度，Ii為入射為入射光的強(qiáng)度。光的強(qiáng)度。%100)/(irIIR材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1128/384. 4.

17、 光在晶體中的傳播光在晶體中的傳播n 晶體是具有格子構(gòu)造的固體，擁有獨(dú)特的對(duì)稱晶體是具有格子構(gòu)造的固體，擁有獨(dú)特的對(duì)稱性和各向異性。性和各向異性。n 光在不同晶體中傳播時(shí)也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。光在不同晶體中傳播時(shí)也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。n 自然光和偏振光在晶體中的傳播也不盡相同。自然光和偏振光在晶體中的傳播也不盡相同。n 根據(jù)光在晶體中不同的傳播特點(diǎn)，可以把透明根據(jù)光在晶體中不同的傳播特點(diǎn)，可以把透明物質(zhì)分為光性均質(zhì)體和光性非均質(zhì)體兩大類。物質(zhì)分為光性均質(zhì)體和光性非均質(zhì)體兩大類。 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1129/384. 4. 光在晶體中的傳播光在晶體中的傳

18、播 n 光性均質(zhì)體與非均質(zhì)體光性均質(zhì)體與非均質(zhì)體 1. 1. 光性均質(zhì)體光性均質(zhì)體 ( (各向同性介質(zhì)各向同性介質(zhì)) ) 光波在均質(zhì)體中傳播時(shí)，光波在均質(zhì)體中傳播時(shí)，其傳播速度不因振動(dòng)方向而其傳播速度不因振動(dòng)方向而發(fā)生改變。發(fā)生改變。 材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1130/382. 2. 光性非均質(zhì)體光性非均質(zhì)體 ( (各向異性介質(zhì)各向異性介質(zhì)) ) 光波在非均質(zhì)體中光波在非均質(zhì)體中傳播時(shí)，其傳播速度傳播時(shí)，其傳播速度隨振動(dòng)方向不同而發(fā)隨振動(dòng)方向不同而發(fā)生變化。生變化。 一軸晶一軸晶 和和 二軸晶二軸晶材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析202

19、2-6-1131/38 這種一束自然光穿過(guò)各向異性的晶這種一束自然光穿過(guò)各向異性的晶體（如方解石晶體）時(shí)分成兩束偏振體（如方解石晶體）時(shí)分成兩束偏振光的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。光的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。例如：白紙上涂一個(gè)黑點(diǎn)，將方解石放例如：白紙上涂一個(gè)黑點(diǎn)，將方解石放在紙上，可觀察到兩個(gè)黑點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)方解在紙上，可觀察到兩個(gè)黑點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)方解石，一個(gè)黑點(diǎn)不動(dòng)，另一個(gè)黑點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。石，一個(gè)黑點(diǎn)不動(dòng)，另一個(gè)黑點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。 雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1132/38光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體e o材料研究方法材料研究方法 光學(xué)顯微分析光學(xué)顯微分析2022-6-1133/38光光光光雙雙折折射射方解石方解石 晶體晶體當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)，