4.1.3. Речовини, в яких фізичні властивості (механічні, теплові, електричні, магнітні, опт&#

До ізотропних речовин відносяться гази, рідини, аморфні тверді тіла.

Подвійне променезаломлення означає, що всередині анізотропної речовини світлова хвиля поділяється на дві хвилі. Вперше це явище спостерігав у 1669 р.

Перший промінь підпорядковується закону заломлення, його показник заломлення не залежить від кута падіння, тобто швидкість поширення цього променя всередині кристала не залежить від напряму поширення. Такий промінь називається звичайним і на малюнках він позначається літерою о. Другий промінь не підпорядковується закону заломлення, його показник заломлення залежить від кута падіння, тобто швидкість його поширення всередині кристала залежить від напряму поширення.

Встановлено, що коли на кристал ісландського шпату падає природне світло, то звичайна та незвичайна хвилі мають однакову інтенсивність, обидві є плоско поляризованими, а їх площини поляризації є взаємно перпендикулярними. Але в цьому кристалі існує єдиний напрям, вздовж якого подвійного променезаломлення не відбувається, тобто обидві хвилі поширюються з однаковими швидкостями.

Поняття „звичайна” й „незвичайна” хвиля мають зміст доти, доки обидві хвилі поширюються всередині кристала, а за його межами відмінність між ними існує тільки в орієнтації площини поляризації. Площину, що проходить через падаючий промінь і оптичну вісь кристала називають його головним перерізом. Дослідження показують, що площина поляризації звичайної хвилі перпендикулярна до головного перерізу, а площина поляризації незвичайної хвилі лежить у головному перерізі.

Характер подвійного променезаломлення залежить від типу симетрії елементарної комірки, повторенням якої шляхом паралельних переносів (трансляції) можна побудувати будь-яку просторову кристалічну решітку. Кристалічною решіткою називають тривимірну формальну побудову (модель), яка використовується для опису внутрішньої будови кристалів. Вона являє собою нескінченну сукупність точок (атомів, іонів, молекул), розташованих у просторі так, що біля кожної точки сусідні точки розташовані таким самим способом. Виходячи з однієї точки цієї решітки, за допомогою трьох векторів (вектори трансляції) можна знайти положення будь-якої іншої точки. Елементарною коміркою називають мінімальну за розміром і найбільш симетричну частку кристалічної решітки. У загальному випадку елементарною коміркою є косокутний паралелепіпед з рёбрами (періоди трансляції, що чисельно дорівнюють модулям векторів ) і кутами (мал. 4.1.8).Типи симетрії елементарних комірок називають кристалічними системами або сингоніями. Існує сім сингоній: триклинна (); багатоклинна (); ромбічна (); тетрагональна (); кубічна (); тригональна (); гексагональна ().

Кристали тетрагональної системи (кварц), тригональної системи (турмалін), гексагональної системи (ісландський шпат) є одновісними кристалами. Для кристалів, що належать до ромбічної, моноклінної та триклинної систем, існує два напрями, вздовж яких не відбувається подвійного променезаломлення. Таки кристали називають двовісними (слюда, гіпс та інші). Для двовісних кристалів обидві хвилі є незвичайними. У кристалах кубічної системи подвійне променезаломлення відсутнє.

Усі кристали, яким властиве подвійне променезаломлення, в певній мірі поглинають світло. Але таке поглинання світла є анізотропним й залежить від орієнтації площини поляризації хвилі, напряму поширення її в кристалі, а також від довжини хвилі. Для деяких кристалів це призводить до того, що одна з хвиль поглинається сильніше ніж інша. Таке явище називають дихроїзмом (два кольори), або плеохроїзмом (багато кольорів), оскільки воно проявляється в різному забарвленні кристала вздовж різних напрямків, коли він освітлюється білим світлом. Прикладом дихроїчного кристала є турмалін, в якому звичайна хвиля поглинається набагато сильніше ніж незвичайна.

Штучне подвійне променезаломлення одержують під час зовнішнього впливу на ізотропні речовини. Виникнення подвійного променезаломлення в ізотропних прозорих твердих речовинах під час їх механічної деформації вивчав у 1815 р. Брюстер. У випадку одностороннього стиснення або розтягу напрям деформації відіграє роль оптичної осі. За міру оптичної анізотропії беруть різницю показників заломлення звичайної та незвичайної хвиль . Дослідження показали, що під час односторонньої механічної деформації між різницею показників заломлення та прикладеною силою існує пряма пропорційність ~ F.

Виникнення штучного подвійного променезаломлення в газах, рідинах і аморфних твердих речовинах під впливом зовнішнього електричного поля називають ефектом Керра, який було відкрито шотландським фізиком Керром у 1875 р. Суть цього ефекту полягає в тому, що деякі ізотропні речовини в зовнішньому електричному полі поводять себе як анізотропні, набуваючи властивостей одновісного кристала. Їх оптична вісь орієнтована вздовж ліній напруженості електричного поля, а різниця показників заломлення для звичайної та незвичайної хвиль пропорційна квадрату напруженості електричного поля ~ .

Розглянемо схему спостереження ефекту Керра в рідині (мал. 4.1.9). Між схрещеними поляризатором і аналізатором знаходиться комірка Керра, яка являє собою плоский конденсатор з прозорою рідиною. При відсутності електричного поля між пластинами конденсатора світло через таку систему не проходить, оскільки воно повністю поглинається аналізатором. В електричному полі конденсатора, для якого кут між напрямом ліній напруженості й площиною поляризації падаючої плоско поляризованої хвилі дорівнює 45° полярні молекули рідини орієнтуються дипольним моментом вздовж лінії напруженості електричного поля. Це саме відбувається із неполярними молекулами рідини, дипольний момент яких індукується електричним полем. Усередині конденсатора плоско поляризована хвиля поділяється на дві плоско поляризовані хвилі, для однієї з яких площина поляризації співпадає з напрямом лінії напруженості електричного поля (незвичайна хвиля), для другої площина поляризації перпендикулярна до напряму ліній напруженості електричного поля (звичайна хвиля). Обидві хвилі поширюються в рідині вздовж одного напряму, але із різними швидкостями, тому аналізатор частково пропускає це світло.

Оскільки процеси орієнтації молекул рідини в електричному полі відбуваються за досить малий час, то час між виникненням і зникненням анізотропії має такий самий порядок. Дослідження за допомогою лазерної техніки показали, що час між появою і зникненням анізотропії, зумовленої інфрачервоними імпульсами лазера для сірководню с, для нітробензолу с. Завдяки надзвичайній швидкості встановлення і зникнення ефекту Керра він широко застосовується як швидкодіючий затвор і модулятор світла в фото - і кінозніманні, телебаченні, в оптичній телефонії, в оптичній локації, в геодезичних далекомірах тощо.

Подібно до явища виникнення подвійного променезаломлення в електричному полі штучну анізотропію можна створити за допомогою магнітного поля. У разі відсутності зовнішнього магнітного поля молекули розміщуються хаотично і властивості речовини є ізотропними. Якщо таку речовину внести в магнітне поле, то магнітні моменти її молекул орієнтуються в одному напрямку вздовж ліній магнітної індукції, а це зумовлює анізотропію речовини й призводить до подвійного променезаломлення. Таке середовище поводить себе як одновісний кристал, оптична вісь якого паралельна вектору індукції магнітного поля . Це явище було відкрите в 1910 р. і на честь його дослідників називається ефектом Коттона – Мутона. Різниця показників заломлення звичайної та незвичайної хвиль у цьому випадку пропорційна квадрату індукції магнітного поля ~ .