Bài giảng Vật liệu học ngành hóa - Chương 1: Đại cương về vật liệu học - Lê Quý Dũng

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu học ngành hóa - Chương 1: Đại cương về vật liệu học - Lê Quý Dũng

1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC oOo VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA Chƣơng 1 ĐẠI CƢƠNG VỀ VẬT LIỆU HỌC GV: Lê Quý Dũng Học kỳ 2 Năm học 2011 - 2012
2. Giới thiệu môn học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 2
3. Mục tiêu môn học Có cái nhìn khái quát về vật liệu học • 1. Các khái niệm, nguyên lý chung, cơ sở của vật chất nói chung cũng như một số loại vật liệu nói riêng • 2. Nguyên tắc, công dụng của một số phương pháp vật lý thông dụng ứng dụng trong khảo sát tính chất vật liệu Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 3
4. Phân bố chương trình • 1. Đại cương về vật liệu học • 2. Vật liệu kim loại • 3. Vật liệu polymer • 5. Vật liệu nano • 6. Một số phương pháp xác định cấu trúc và hình thái vật liệu Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 4
5. Tài liệu tham khảo chính • Slides bài giảng Vật liệu học năm 2011 – 2012 • Sách: Materials Chemistry của Bradley D. Fahlman, second edition • Sách: Vật liệu học của B. N. Arzamaxov do Nguyễn Khắc Cường (chủ biên) biên dịch. • Giáo án Vật liệu học của thầy Hà Văn Hồng Vậ t liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 5
6. Kế hoạch thi và phân bố điểm Điểm Điểm Điểm thi Điểm tiểu luận giữa kỳ học kỳ môn học 20% 20% 60% • Đề tài giảng viên đưa hoặc nhóm tự chọn (cộng 1 điểm) • Lớp trưởng phân lớp thành 14 nhóm, bầu nhóm trưởng, gởi danh sách về cho thầy vào buổi học thứ 2 Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 6
7. Vật liệu học ngành hóa Chương 1: Đại cương về vật liệu học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 7
8. Chương 1: Đại cương về vật liệu học • 1. Sự cần thiết phát triển vật liệu mới • 2. Các loại liên kết trong vật chất • 3. Các trạng thái tự nhiên của vật chất • 4. Đại cương về tinh thể học • 5. Một số tính chất cơ bản của vật liệu Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 8
9. 1.1. Sự cần thiết phát triển vật liệu mới Các thời kỳ của lịch sử được đặt tên theo loại vật liệu chính sử dụng trong thời kỳ đó Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 9
10. 1.1. Sự cần thiết phát triển vật liệu mới • Một ví dụ cụ thể về vật liệu: TiO2 • Chất bột rắn màu trắng, không tan trong nước • Thường được biết tới dưới dạng bột màu (trắng) • Tính chất đặc biệt: khả năng xúc tác quang hóa Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 10
11. 1.1. Sự cần thiết phát triển vật liệu mới • Sử dụng như một chất chống ô nhiễm nhờ vào khả năng xúc tác quang hóa dị thể (phản ứng xúc tác xảy ra trên bề mặt của chất xúc tác). • Xúc tác quang hóa: phản ứng xúc tác xảy ra khi có mặt ánh sáng và sự tiếp xúc của xúc tác với tác chất Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 11
12. 1.1. Sự cần thiết phát triển vật liệu mới • Ứng dụng tính chất xúc tác quang hóa: Phân hủy Nox, khử mùi, khử trùng, xử lý nước, diệt khuẩn • Vật liệu ứng dụng: Gạch tự diệt khuẩn, sơn tự làm sạch «Hãy hình dung một bệnh viện với các buồng bệnh trắng tinh, vô trùng mà không cần nhân công lau chùi; cửa kính trong suốt không hề bám bụi, mọc nấm; quần áo mặc không cần giặt Điều đó không viễn tưởng mà hoàn toàn có cơ sở khoa học dựa trên vật liệu nano oxit titan. Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 12
13. 1.1. Sự cần thiết phát triển vật liệu mới Sự tìm ra vật liệu mới KIM LOẠI sẽ kéo theo sự phát VẬT LIỆU VẬT LIỆU triển đời sống của xã SILICON BÁN DẪN hội composite VẬT LIỆU HỮU CƠ SIÊU DẪN Tất yếu cho sự phát VÔ CƠ triển của xã hội Một số loại vật liệu cơ bản Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 13
14. 1.2. Các trạng thái và liên kết trong chất Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 14
15. 1.2. Các trạng thái và liên kết trong chất • Coi lại giáo trình hóa học 1 • Do tương quan giữa các tiểu phân (phân tử, nguyên tử) trong chất • Khí: động năng >> thế năng • Lỏng: động năng và thế năng chênh lệch nhau không quá nhiều • Rắn: thế năng >> động năng Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 15
16. 1.2. Các trạng thái và liên kết trong chất Xem lại giáo trình hóa học 1 Liên kết kim loại Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 16
17. 1.3. Đại cương về tinh thể học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 17
18. 1.3. Đại cương về tinh thể học Ví dụ sự tạo thành tinh thể NaCl từ Na và Cl2 nguyên chất Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 18
19. 1.3. Đại cương về tinh thể học • Sự khác biệt giữa chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình Phân tử gồm các tiểu phân xắp xếp tuần hoàn Phân tử gồm các tiểu phân xắp xếp không tuần hoàn Có nhiệt độ nóng chảy xác định Chỉ có khoảng nóng chảy mà không có nhiệt độ nóng chảy xác định Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 19
20. 1.3. Đại cương về tinh thể học • Tinh thể là tập hợp các nguyên tử, phân tử hay ion được sắp xếp có trật tự tạo thành một cấu trúc nhất định có tính tuần hoàn. • Các vật thể rắn trong thiên nhiên hầu hết đều có cấu trúc tinh thể. Thể khí, lỏng hay chất rắn vô định hình cũng có thể chuyển thành tinh thể ở các điều kiện thích hợp. Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 20
21. 1.3. Đại cương về tinh thể học • Đồng chất: tại mọi điểm trong tinh thể đều có tính chất vật lý và hoá học như nhau. • Dị hướng. • Có thể tự hình thành nên các tinh thể đa diện. • Có nhiệt độ nóng chảy xác định. • Có tính đối xứng: khi có các biến đổi hình học thì các điểm, đường, mặt tự trùng lặp lại như cũ. • Gây ra hiệu ứng nhiễu xạ đối với tia X và chùm tia điện tử. Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 21
22. 1.3. Đại cương về tinh thể học Cách biểu diễn một mạng tinh thể: như hình bên Nút mạng: biểu diễn những tiểu phân tạo thành cấu trúc tinh thể Đường thẳng: thể hiện liên kết giữa các nút mạng Ô mạng cơ sở: là ô mạng khi tịnh tiến 3 phương trong không gian sẽ tạo thành mạng tinh thể Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 22
23. Ô mạng cơ sở • Đâu là ô mạng cơ sở của NaCl • Trong ô mạng cơ sở đó, hãy đếm o Có bao nhiêu nguyên tử Cl o Có bao nhiêu nguyên tử Na Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 23
24. 1.3. Đại cương về tinh thể học • Phân biệt đơn tinh thể và đa tinh thể Đa tinh thể Đa tinh thể gồm các đơn tinh thể dính liền Đơn tinh thể với nhau tại biên của mỗi biên tinh thể Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 24
25. 1.3. Đại cương về tinh thể học • Mỗi một ô mạng cơ sở đặc trưng bởi các thông số cạnh a, b, c, và các góc α, β, γ • Cấu trúc của ô mạng cơ sở đặc trưng cho cấu trúc của mạng tinh thể, có 7 kiểu mạng tinh thể khác nhau Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 25
26. 1.3. Đại cương về tinh thể học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 26
27. 1.3. Đại cương về tinh thể học • Từ 7 kiểu ô mạng cơ sở, ta có 14 ô mạng tinh thể khác nhau Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 27
28. 1.3. Đại cương về tinh thể học Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 28
29. Mật độ nguyên tử ô mạng cơ sở ℎể 푡í ℎ 푡𝑖ể ℎâ푛 ℎ𝑖ế • ậ푡 độ ô ạ푛 = ℎể 푡í ℎ ô ạ푛𝑔 ơ 푠ở Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 29
30. Mật độ nguyên tử ô mạng cơ sở • Bài tập: lập công thức tính mật độ của ô mạng cơ sở cho các ô mạng sau: o Lập phương đơn giản, tâm khối, tâm mặt o Trực thoi đơn giản, tâm đáy, tâm khối, tâm mặt o Bốn phương đơn giản, bốn phương tâm khối Vật liệu học - Lê Quý Dũng 21 February 2012 30
31. 1.4. Mặt mạng tinh thể - chỉ số hkl (chỉ số Miller) • Để xác định mặt phẳng tinh thể trong cấu trúc lập phương, thường sử dụng chỉ số Miller • Định nghĩa: chỉ số Miller là đại lượng nghịch đảo giao điểm phân số của mặt tinh thể cắt trên trục tinh thể x, y, z của ba cạnh không song song của ô cơ bản lập phương • Cạnh lập phương của ô cơ bản là đơn vị đo chiều dài và vị trí cắt của mặt tinh thể được đo theo thành phần của chiều dài đơn vị này
32. Chỉ số Miller (h,k,l) (mặt phẳng tinh thể) • Tìm giao điểm của mặt phẳng trên 3 trục • Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc toạ độ đến các giao điểm • Lấy giá trị nghịch đảo của các đoạn thẳng • Quy đồng mẫu số Lấy các giá trị của tử số • Ký hiệu bằng ba chữ h, k, l tương ứng 3 trục x, y, z • Số âm được viết bằng 1 gạch ngang ở đầu
33. Z Z Z Y Y Y X X X _ (010) (010) (020) X Y Z Nghịch đảo Chỉ số Miller 1. ∞ 1 ∞ 1/ ∞ 1/1 1/ ∞ (0,1,0) 2. ∞ -1 ∞ 1/ ∞ -1/ 1 1/ ∞ 3. ∞ 1/2 ∞ 1/ ∞ 2/1 1/ ∞ (0,2,0)
34. Bài tập – xác định chỉ số hkl Z Z Z Y Y Y X X X
35. Z Z Z Y Y Y X X X (100) (110) (111) X y z Nghịch đảo Chỉ số Miller 1. 1 1/1 1/ 1/ (1,0,0) 2. 1 1 1/1 1/1 1/ (1,1,0) 3. 1 1 1 1/1 1/1 1/1 (1,1,1)
36. Bài tập – xác định chỉ số hkl
37. Ứng dụng của chỉ số hkl • Hai ứng dụng quan trọng o 1. Tính toán khoảng cách giữa các mặt mạng có cùng chỉ số hkl o 2. Từ phổ nhiễu xạ tia X, xác định các mặt cho nhiễu xạ, từ đó có thể xác định được kiểu ô mạng tinh thể (chưa học)
38. Ứng dụng của chỉ số hkl • Tính toán khoảng cách giữa các mặt mạng có cùng chỉ số hkl
39. Bài tập • Xác định chỉ số Miller của mặt mạng tinh thể trên • Tính toán khoảng cách giữa những mặt mạng có cùng chỉ số hkl đó
40. Bài tập chỉ số Miller 1 2 2 2 1 2 = (6 + 3 + 2 ) 2 (632) = (632) 49
41. Bài tập độ đặc khít của ô mạng lập phương
42. Ví dụ: giải trường hợp lập phương đơn giản • Giả sử cạnh của ô mạng cơ sở là a • R là bán kính nguyên tử = a/2 • Số nguyên tử trong 1 ô mạng cơ sở =1/8 * 1 = 1 • Thể tích ô mạng cơ sở = a3 • Thể tích chiếm bởi các nguyên tử 4 4 3 = 푅3 = ( )3 = 3 3 2 6 • Mật độ ô mạng 3 3,14 = 6 . 100% = . 100% = . 100% = 52,3 % 3 6 6
43. Khối lượng riêng -khối lượng riêng m m- khối lượng của các nguyên tử (phân tử, ion) thuộc về một ô cơ sở V V-thể tích của ô cơ sở M-khối lượng mol M.n v 23 NA = 6.602.10 số Avogadro N .V nv- số ng.tử thuộc một ô cơ sở A
44. Bài tập • 1. Sắt alpha kết tinh theo mạng lập phương tâm khối. Xác định bán kính của nguyên tử Fe trong sắt alpha biết tỉ trọng của nó bằng 7,86 g/cm3. Cho Fe = 55,8 g/mol
45. Bài tập • 2. Bán kính của nguyên tử Na bằng 0,190 nm. Tính tỉ trọng của Na kim loại (mạng lập phương tâm khối). Cho Na = 23,0 g/mol • 3. Cu kim loại kết tinh theo mạng lập phương tâm diện. Tỉ trọng của nó bằng 8,96. Tính bán kính nguyên tử của Cu. Cu = 63,5 g/mol
46. Bài tập • 4. Tỉ trọng của NaCl bằng 2,165. Tính tổng bán kính của 2 ion Na+ và Cl- MNaCl = 58,44 g/mol. • 5. Cho thông số mạng tinh thể của 2 dạng thù hình của Fe: - Fe alpha: lập phương tâm khối; a = 0,286 nm. - Fe gamma: lập phương tâm diện; a = 0,356 nm. Tính bán kính nguyên tử và tỉ trọng của Fe trong mỗi trường hợp. Fe = 55,8 g/mol • 6. Bán kính nguyên tử của C là r = 0,077 nm. Tính tỉ trọng và độ đặc khít của kim cương. C = 12,01 g/mol.
47. 1.5. Sai khuyết trong tinh thể  Khuyết tật Frenkel : Cation rời nút mạng Vị trí xen kẽ => Cặp: N.trống (+) & N.tử xen kẽ (+) Khuyết tật Schotky : Cation và Anion rời nút mạng Vị trí mặt ngoài => Cặp nút trống: N.trống (+) & N.trống (-) Khuyết tật Shottky Khuyết tật Frenkel
48. 1.5. Sai khuyết trong tinh thể .Khuyết tật tạo bởi hợp chất không tương hợp Điều kiện Ion có nhiều hóa trị Ví dụ : FeO Fe : Fe2+ & Fe3+ Fe3+ thay thế Fe2+ & tạo thêm lỗ trống cation
49. 1.5. Sai khuyết trong tinh thể Khuyết tật tạo bởi tạp chất  Tạp chất  D.dịch rắn thay thế (hoặc d.dh rắn xen kẽ) Điều kiện: K.thước : giống nhau Điện tích : giống nhau Trung hòa điện
50. Khuyết tật tạo bởi tạp chất Ví dụ: NaCl - Tạp chất catiion: Ca2+ thay thế 2 Na+ Nút trống cation Ca2+ Na+ Na+ Ca2+ Tạp chất Ca2+ Cấu trúc mới Cấu trúc ban đầu -Tạp chất anion: O2- thay thế 2 Cl- Nút trống anion O2 - Cl- Cl- Cấu trúc ban đầu Tạp chất O2- Cấu trúc mới
51. 1.6 Một số tính chất cơ bản của vật liệu • Tính chất vật lý • Tính chất hóa học • Tính chất cơ học
52. 1.6.1. Tính chất vật lý • Tính chất điện • Tính chất từ • Tính chất nhiệt • Tính chất quang
53. 1.6.1.1. Tính chất điện • Mô hình dải năng lượng • Khái niệm về dẫn điện • Dẫn điện của vật liệu kim loại • Dẫn điện của vật liệu bán dẫn • Dẫn điện của vật liệu vô cơ • Dẫn điện của vật liệu hữu cơ • Tính chất điện môi của vật liệu
54. Mô hình dải năng lượng • Thuyết MO: ví dụ H2 và N2 • Do 2 nguyên tử cùng loại gần nhau liên kết với nhau • Tạo ra 1 MO liên kết có năng lượng thấp • 1 MO phản liên kết có năng lượng cao • Khoảng cách giữa 2 vùng năng lượng gọi là miền cấm (delta E) Eplk Elk
55. • Hệ nhiều nguyên tử: 3, 4, 5 N nguyên tử => tương tác sẽ tạo ra được N/2 MO liên kết và N/2 MO phản liên kết • N càng lớn sẽ làm cho khoảng cách delta E càng nhỏ, tạo thành một dải năng lượng • Miền cấm delta E o Kim loại: rất nhỏ hay = 0 eV o Chất bán dẫn: 0,1 tới 3,0 eV o Chất cách điện: > 3 eV
56. E MO-PLK MO-PLK 14/2 = 7 N/2 D ả i n ă n g l ƣ AO AO ợ n g N= vô cùng lớn N=14 (nhỏ) c ủ a N M O MO-LK MO-LK 14/2 = 7 N/2 Dải năng lƣợng của các MO
57. Khái niệm về sự dẫn điện • Là sự chuyển động của các điện tử tự do theo một hướng nào đó dưới tác dụng của điện trường
58. Dẫn điện của vật liệu kim loại • Vùng hóa trị và vùng dẫn liền kề Vật liệu kim loại Độ dẫn điện, (Ωm)-1 nhau Bạc (Ag) 6.8.107 • Chỉ cần một kích ĐồngCu) 6.0.107 thích nhẹ Vàng (Au) 4.3.107 • Electron vùng hóa Nhôm (Al) 3.8.107 trị chuyển lên vùng Sắt (Fe) 1.0.107 dẫn và chuyển Đồng thau (70Cu-30Zn) 1.6.107 động tự do Thép cacbon 0.6.107 • Xuất hiện sự dẫn Thép không gỉ 0.2.107 điện khi đặt trong điện trường
59. Bán dẫn tinh khiết • Bán dẫn tinh khiết thường gặp là: Si, Ge, C, • Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 • Ở nhiệt độ thấp, gần 0 K, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên tử ở nút mạng. Do đó Si Không có các electron tự do • Khi nhiệt độ tăng cao làm xuất hiện các cặp electron – lỗ trống. Số electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết bằng nhau • Khi có điện trường đặt vào chất bán dẫn các electron chuyển động ngược chiều điện trường, các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trừơng, gây nên dòng điện trong chất bán dẫn.
60. Bán dẫn tinh khiết
61. Bán dẫn tạp • Bán dẫn có tạp chất thường gặp là: GaAs, CdTe, ZnS , nhiều ôxit, sunfua, selenua, telurua , và một số chất polime. • Nếu bán dẫn Silic có pha tạp chất, tức là ngoài các nguyên tử Silic, còn các nguyên tử khác, thì tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều. • Bán dẫn có tạp chất được chia làm 2 loại: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p.
62. Bán dẫn tạp chất N • Giả sử trong mạng tinh thể Silic có lẫn một nguyên tử phôtpho (P). P:1s22s22p63s23p3 . Electron dư trong nguyên tử Phôtpho liên kết yếu với nguyên tử Phôtpho. Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất P • Electron dư thừa dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử
63. Bán dẫn tạp chất P • Giả sử trong mạng tinh thể Silic có lẫn một nguyên tử Bo (B). • B:1s22s22p63s23p1 . Lỗ trống tạo nên do nguyên tử Bo thiếu 1 electron liên kết với 1 nguyên tử Silic lân cận. Mô hình mạng tinh thể bán dẫn có tạp chất B • Một electron ở liên kết gần đó có thể chuyển đến lấp đầy liên kết trống này và tạo thành 1 lỗ trống mới. • Như vậy, bằng cách chọn loại tạp chất và nồng độ tạp chất pha vào bán dẫn, người ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mong muốn. Đây chính là tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có nhiều ứng dụng
64. Dẫn điện của vật liệu vô cơ • Các hợp chất Các hợp chất Các hợp chất Các hợp chất vô cơ như I VII II VI III V A B Eg(ev) A B Eg(ev) A B Eg(ev) muối, oxit có LiF 11 ZnO 3.4 AIP 3.0 thể có nhiều NaF 12.5 ZnS 3.8 AlAs 2.3 hình thức dẫn. LiCl 9.5 ZnSe 2.8 AlSb 1.5 Nói chung đại NaCl 8.5 ZnTe 2.4 GaP 2.3 NaBr 7.5 CdO 2.3 GaAs 1.4 đa số là những KF 11 CdS 2.45 GaSb 0.7 chất dẫn điện KCl 8.5 SdSe 1.8 InP 1.3 kém vì chiều KBr 7.5 CdTe 1.45 InSb 0.2 rộng của khe KI 5.8 PbS 0.37 2.2 PbSe 0.27 3.1 Eg khá lớn. PbTe 0.33
65. Dẫn điện của vật liệu vô cơ • Dẫn điện không cao như kim loại hay chất dung dịch điện giải nhưng hình thức dẫn rất phong phú . Tùy theo điều kiện có thể chuyển từ hình thức dẫn này sang hình thức dẫn khác . Tùy theo cấu trúc tinh thể , cấu hình các đám mây điện tử mà vật liệu vô cơ có thể dẫn như một kim loại,có thể dẫn như bán dẫn kiểu n hay p
66. Sự dẫn điện của vật liệu hữu cơ • Đa số các vật liệu hữu cơ sử dụng là chất cách điện, vì Eg rất lớn, hầu như vùng dẫn không có điện tử tự do vì các điện tử liên kết bền với nguyên tử trong mạch polymer.
67. Sự dẫn điện của vật liệu hữu cơ • 2 loại chính: Polymer dẫn điện (học) và polymer dẫn ion (không học) • Polymer dẫn điện • Ảnh hưởng của phụ gia: Chế tạo và vật liệu hữu cơ ngòai polymer có các chất phụ gia: nếu phụ gia là bột có độ phân tán cao như kim loại bột hay grafit thì độ dẫn điện phụ thuộc vào tính chất và khối lượng chất phụ gia. Bản chất dẫn điện của vật liệu hữu cơ là do phụ gia, còn polymer chỉ là chất mang • Ví dụ, nilon 6/6 khi phụ gia sợi carbon.
68. Sự dẫn điện của vật liệu hữu cơ • Ngoài ra: Polymer có các dạng liên kết : C-C,C- H,C=C,CC,liên kết vòng,liên kết với các hợp chất có độ âm điện khác nhau.Các dạng liên kết trong mạch polymer tồn tại phổ biến là liên kết σ và liên kết pi. • Liên kết σ là liên kết C-C,C-H :các điện tử đều bị chiếm giữ hòan tòan,nghĩa là không có điện tử tự do nhảy lên miền dẫn. • Còn liên kết π là dạng liên kết ít bền vững hơn và xuất hiện không nhiều các điện tử tự do nằm ở miền dẫn. • Các đồng phân khác nhau cũng sẽ có độ dẫn điện khác nhau. • Độ dẫn điện khác nhau do mật độ điện tử tham gia liên kết và khoảng cách liên kết.
69. Tính chất vật lý o Tính dẫn điện o Tính dẫn nhiệt (không học) o Tính chất từ (không học) o Tính chất quang Tính chất hóa học (không học) Tính chất cơ học (không học)
70. Tính chất quang • Khái niệm chung • Tính chất quang học của vật liệu kim loại • Tính chất quang học của vật liệu phi kim loại
71. Tính chất sóng – hạt của ánh sáng • Ánh sáng truyền đi trong không gian với vận tốc c, bước sóng lamda • Khi đó c= lamda x v
72. Sự phân tách ánh sáng trắng thành các ánh sáng màu
73. Tương tác của ánh sáng với vật rắn • Ta gọi R: độ phản xạ • A: độ hấp thụ • T: độ truyền qua • R = max vật thể màu trắng • A = max vật thể màu đen • T = max vật thể trong suốt o A khác 0, truyền qua và phát xạ => có màu o A = 0, truyền qua và khúc xạ => đục mờ
74. Thuyết lượng tử của Plăng • Nếu dùng nguồn sóng điện từ (ví dụ ánh sáng mặt trời) chiếu rọi vào các phân tử, nguyên tử làm cho chúng từ trạng thái cơ bản chuyển sang trạng thái kích thích, thì khi chúng từ trạng thái kích thích này trở về trạng thái cơ bản, năng lượng thu được sẽ trả lại môi trường, thường dưới dạng năng lượng sóng điện từ (bức xạ điện từ). • Các nguyên tử, phân tử phát xạ hay hấp thụ năng lượng điện từ một cách gián đoạn, từng lượng nhỏ một, nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng  (photon).
75. • Sự hấp thụ và phát bức xạ điện từ có thể gây nên sự chuyển dời điện tử từ trạng thái năng lượng này sang trạng thái năng lượng khác. • Nguyên tử hấp thụ một photon, bị kích thích làm cho điện tử chuyển từ mức năng lượng E2 lên mức E4 . Năng lượng hấp thụ ()bằng năng lượng chuyển dời điện tử ( E) • Điện tử kích thích ở trạng thái khộng bền, liền quay trở về trạng thái cơ bản hoặc ở mức thấp hơn và phát ra một năng lượng (photon) đúng bằng năng lượng đã hấp thụ. • Vì vậy mỗi một chuyển dời điện tử đòi hỏi năng lượng hấp phải có những tần số và một bước sóng tương ứng thích hợp.
76. Tính chất quang học của vật liệu kim loại • Kim loại hấp thụ được tất cả các tần số của ánh sáng nhìn thấy bởi vì luôn có những trạng thái điện tử còn trống, cho phép chuyển dời các điện tử
77. • Trong thực tế các kim loại đều hấp thụ được các sóng điện từ tần số thấp ( bước sóng dài) của sóng rađio, qua tia hồng ngoại, ánh sáng trắng đến tia tử ngoại. Độ phản xạ của đa phần các kim loại đạt 0.90 -0.95. Một phần nhỏ năng lượng bức xạ chuyển thành nhiệt. Vì thế đa phần các kim loại có màu trắng đục. Kim loại nhôm (Al) và bạc (Ag) sau khi hấp thụ ánh sáng trắng phản xạ lại toàn bộ giải phổ nhìn thấy, nên chúng có màu trắng bạc. Còn kim loại đồng (Cu) và vàng (Au) lại thể hiện hai màu đỏ-da cam và vàng bởi vì một phân năng lượng bức xạ có bước sóng ngắn không được phát lại. • Các sóng điện từ có tần số cao (tia rơngen và tia ) truyền được qua kim loại, làm cho kim loại trong suốt (không màu).
78. Sự khúc xạ • Tia sáng truyền tới bề mặt ngoài của vật liệu phi kim, sau đó bị lệch hướng truyền. Đây là hiện tượng khúc xạ. Kết quả làm giảm tốc độ truyền của ánh sáng trong vật liệu, làm nó bị đục. Đại lượng đặc trưng cho hiện tượng này là chỉ số khúc xạ (chiết suất) n
79. Sự khúc xạ Vật liệu vô Chiết suất Vật liệu hữu Chiết suất Thuỷ tinh Na- cơ trung bình cơ trung bình Ca có chiết Thuỷ tinh 1.46 Polytetrafloet 1.35 suất 1.51. Thuỷ SiO2 ylen tinh pha lê có Thuỷ tinh 1.51 Polyetylen 1.51 chứa oxyt bari Na-Ca (BaO) và oxyt Thuỷ tinh 1.47 Polystyren 1.60 Pyrex chì (PbO) làm Corunđông 1.76 Polymetyl 1.49 cho chiết suất (Al2O3) metacrylat tăng lên đáng Periclaz 1.74 Polypropylen 1.49 kê (chết suất (MgO) 2.10). Do vậy Thạch anh 1.55 thuỷ tinh pha (SiO2) lê có tính khúc Spinen 1.72 xạ lớn. (MgAl2O4)
80. Sự phản xạ • Khi áng sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác, một phần ánh sáng bị phản xạ trở lại trên bề mặt phân chia giữa hai môi trường. Nếu ánh sáng tới chiếu vuông góc với mặt phân cách thì độ phản xạ R được tính như sau : • Trong đó n1 và n2 là triết suất của hai môi trường. • Khi ánh sáng chiếu từ không khí vào vật rắn có triết suất ns thí độ phản xạ là : • Như vậy triết suất của vật rắn (ns) càng cao thì độ phản xạ (R) càng lớn. Chiết suất của vật rắn phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng, do đó độ phản xạ cũng biến đổi theo bước sóng.
81. Hấp thụ • Cũng như đường truyền của ánh sáng, năng lượng bức xạ truyền đi phụ thuộc vào đặc tính của môi trường. Cường độ truyền năng lượng bức xạ ( IT’) trong vật liệu giảm liên tục theo chiều dài mà nó đi qua: I ' I ' e x • Trong đó -cường độ bức xạ năng lượng T o • -hệ số hấp thụ, mm-1, là đặc trưng của vật liệu và thay đổi theo bước sóng của nguồn bức xạ. • x-chiều dài truyền năng lượng, đo từ tia tới trên bề mặt vật liệu. • Các vật liệu có giá trị  lớn được coi là chất hấp thụ mạnh.
82. Màu sắc • Các vật liệu trong suốt hiện màu là do có những giải bước sóng ánh sáng bị hấp thụ chọn lọc, màu sắc cảm nhận được là kết quả tổ hợp những bước sóng được truyền qua. • Các vật liệu đục hiện màu là tổ hợp những ánh sáng phản xạ lại. • Các thuỷ tinh vô cơ có màu nhờ sự tham gia của các ion kim loại chuyển tiếp hoặc đất hiếm. Các cặp ion-màu điển hình như: Cu2+ : xanh-lục; Co2+ : xanh-tím; Cr3+ : lục; Mn2+ : vàng và Mn3+ : đỏ thẫm.
83. Tính đục và trong mờ • Mức độ trong mờ và đục của các vật liệu điện môi trong suốt phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính phản xạ (tán xạ) bên trong và truyền qua của chúng. • Nhiều vật liệu điện môi vốn là trong suốt trở nên mờ hay đục nhờ phản xạ và khúc xạ bên trong. Một chum sáng lệch hướng và yếu đi do nhiều lần khúc xạ. Tính đúc sinh ra khi mức độ tán xạ mạnh đến mức không còn một chùm ánh sáng tới nào được truyền qua không bị lệch để tới được mặt sau. • Sự tán xạ bên trong vật liệu sinh ra do nhiều nguyên nhân khác nhau : cấu trúc, khuyết tật • Cấu trúc đa tinh thể làm cho chiết suất các hạt khác nhau. Cả phản xạ và tán xạ đều xảy ra trên biên giới hạt làm cho vật liệu trong mờ. • Tán xạ xảy ra trong các vật liệu hai pha, trong đó một pha với độ phân tán cao nằm trong pha kia. Tán xạ chùm tia xảy ra qua miền biên giới pha. Sự sai khác chiết suất giữa hai pha càng lớn thì sự tán xạ càng mạnh. • Vật liệu gốm có chứa những rỗ xốp. Tán xạ ánh sáng xảy ra rất mạnh tại nơi này. • Vật liệu polymer nguyên chất (không có phụ gia và tạp chất) thường có mức độ kết tinh khác nhau. Polyme bán tinh thể có vùng biên giới tinh thể-vô định hình với chiết suát khác nhau thường bị tán xạ mạnh. Polyme có tỷ lệ kết tinh cao, mức độ tán xạ tăng dẫn đến tính trong mờ, thậm chí bị đục. • Polyme vô định hình có màu trong suốt.
84. Hết chương 1