Спектры собственного поглощения стёкол

Условие прозрачности – энергия кванта излучения E_кв должна быть меньше ширины запрещённой зоны стекла ΔE:

E_кв < ΔE; .

Термин «собственное поглощение» подразумевает отсутствие поглощения, обусловленного оптической неоднородностью вещества, наличием поверхностей раздела фаз, присутствием красящих примесей.

Граничное условие прозрачности:

.

Энергия кванта излучения с длиной волны l = l_гр достаточна для возбуждения электронов и перехода их из валентной зоны в зону проводимости. В результате наблюдается поглощение энергии электромагнитного излучения.

Если λ>λ_гр – вещество прозрачно для этого кванта, так как h∙c/l < ΔE;

Если λ<λ_гр – такое излучение через вещество не проходит. Вещество непрозрачно, так как энергия кванта излучения больше ширины запрещённой зоны ΔE.

Учитывая, что h и c являются постоянными, получим соотношение:

.

Зная ширину запрещённой зоны, легко определить границу пропускания любого вещества. Для кварцевого стекла, например, ΔЕ = 8,1 эВ; отсюда λ_гр= 152 нм. Действительно, кварцевое стекло обладает высокой прозрачностью в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра (рис.4.14).

Ультрафиолетовые лучи оказывают благотворное влияние на жизнедеятельность людей, животных, растений – это биологические лучи или лучи жизни. Стёкла, пропускающие ультрафиолетовые лучи, называются увиолевыми стёклами. Это не только кварцевые стёкла, но и силикатные стёкла, содержащие FeO < 0,005мас.%. Увиолевые стёкла используют для остекления школ, детских садов, парников и т.д.

Рис. 4.14. Спектры собственного поглощения:

1 – кварцевое стекло;

2 – листовое стекло;

3 – стеклообразный сульфид мышьяка

Высокой прозрачностью в оптическом диапазоне длин волн обладают также силикатные стёкла, не содержащие примесей, большинство стёкол на основе борного ангидрида и пятиокиси фосфора, фторбериллатные стёкла. Полностью непрозрачны в видимой области полупроводниковые стеклообразные халькогениды.

Ход спектральной кривой позволяет ориентировочно оценить λ_гр. Принимают, что λ_гр соответствует пропусканию веществом 50% падающего излучения или 0,69 единицам оптической плотности, так как D_e = ln (100/50) = 0,69 (или 0,3 единицам оптической плотности в случае использования десятичного логарифма, так как D₁₀ = lg (100/50) = 0,3).

Высокая прозрачность листового стекла в видимой области спектра обусловлена следующими факторами:

1) большой шириной запрещенной зоны силикатов сложного состава;

2) элементы, входящие в силикатное стекло, такие как Si, Na, Ca, Mg, Al, O имеют внешние электроны, прочно удерживаемые на стационарных орбитах;

3) стекло является однородной и однофазной средой, в которой отсутствуют границы раздела фаз, способные вызвать рассеяние света.