6. Оптические свойства, их связь с симметрией кристаллов. Понятия «показатель преломления», «двулучепреломление», «оптическая индикатриса». Главные оптические константы кристаллов.

А) Оптические свойства, их связь с симметрией кристаллов: Оптические свойства кристаллов определяются особенностями их симметрии. Кристаллы высшей категории оптически изотропны (изотропность - одинаковость физических свойств во всех направлениях, инвариантность, симметрия по отношению к выбору направления), кристаллы низшей и средней категории — оптически анизотропны.

В оптически изотропных средах световая волна, представляющая собой совокупность поперечных гармонических электромагнитных колебаний, распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях. В оптически анизотропных средах скорости распространения световой волны в разных направлениях могут быть различны.

Б) Показатель преломления:

Электромагнитные колебания естественного света совершаются во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. Поскольку скорость распространения света обратно пропорциональна плотности среды, то при переходе света из одной среды в другую происходит преломление лучей, т. е. их отклонение от первоначального направления.

Показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в одной среде отличается от скорости света в другой. Абсолютный показатель преломления возникает в случае, когда одна из двух сред является вакуумом. n = вакуума / среды. n всегда > 1, т.к. вакуума > любой среды.

Луч, идущий перпендикулярно к поверхности раздела двух сред, не испытывает преломления. В том случае, если свет из среды с большим показателем преломления попадает в среду с меньшим показателем преломления под углом, превышающим предельный, то наблюдается полное внутреннее отражение, т. е. луч «возвращается» в исходную среду.

В) Двулучепреломление:

В отличие от изотропных сред анизотропные кристаллы характеризуются особым явлением, называемым двулучепреломлением. Все предметы, рассматриваемые через такие кристаллы, видны раздвоенными, при этом одно изображение кажется расположенным выше другого и остается неподвижным при вращении кристалла, другое — ниже и при вращении кристалла перемещается вокруг первого.

Неподвижное изображение создается лучами, подчиняющимися обычным законам преломления и называемыми обыкновенными; лучи другого рода ведут себя непривычно (например, отклоняются даже в том случае, если луч зрения направлен перпендикулярно поверхности кристалла), и были названы поэтому необыкновенными.

Впоследствии явление двупреломления было объяснено как следствие закона эллипсоида. Колебания падающего неполяризованного луча света во всякой анизотропной среде разбиваются на две группы колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях, т. е. на два плоскополяризованных луча, один из которых — обыкновенный — распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях, скорость другого — необыкновенного — изменяется с направлением.

Г) Оптическая индикатриса:

Оптическая индикатриса - особая вспомогательная пов-ть, имеющая форму эллипсоида, каждый радиус вектора которой своей величиной выражает показатель преломления данного кристалла для тех волн, колебания которых совершаются в направлении этого вектора.

Д) Главными оптическими константами являются показатели преломления n_y,n_m,n_p, величины двупреломления, т.е. разница n_y-n_m, n_y-n_p, n_m-n_p, а также уголоптических осей 2v и оптические знаки кристалла «+» и «-»

7. Явление двулучепреломления в кристаллах. Призма Николя и ее использование в поляризационном микроскопе. Оптическая активность кристаллов. А) Двулучепреломление – В отличие от изотропных сред анизотропные кристаллы характеризуются особым явлением, называемым двулучепреломлением. Все предметы, рассматриваемые через такие кристаллы, видны раздвоенными, при этом одно изображение кажется расположенным выше другого и остается неподвижным при вращении кристалла, другое — ниже и при вращении кристалла перемещается вокруг первого.

Неподвижное изображение создается лучами, подчиняющимися обычным законам преломления и называемыми обыкновенными; лучи другого рода ведут себя непривычно (например, отклоняются даже в том случае, если луч зрения направлен перпендикулярно поверхности кристалла), и были названы поэтому необыкновенными.

Впоследствии явление двупреломления было объяснено как следствие закона эллипсоида. Колебания падающего неполяризованного луча света во всякой анизотропной среде разбиваются на две группы колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях, т. е. на два плоскополяризованных луча, один из которых — обыкновенный — распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях, скорость другого — необыкновенного — изменяется с направлением.

Б) Призма Николя и ее использование в поляризационном микроскопе:

Призма Николя (рис) изготовляется из монокристалла исландского шпата СаСОз, обладающего высоким двупреломлением. Две половины распиленного под определенным углом кристалла склеивают особым клеем — канадским бальзамом с показателем преломления (n=1,54), близким к nе кальцита. Обыкновенный луч (nо= 1,658) испытывает полное внутреннее отражение от поверхности среза и гасится оправой призмы Николя. Другой, необыкновенный, луч с n'е= 1,515 беспрепятственно проходит через прослойку канадского бальзама. В результате из призмы Николя выходит лишь один поляризованный (необыкновенный) луч.

Схема действия призмы Николя.

Красным обозначен обыкновенный луч (горизонтальная поляризация), зелёным — необыкновенный (вертикальная поляризация).

В) Оптическая активность кристаллов:

Если вырезать пластинку одного из определённых веществ перпендикулярно его оптической оси и поместить её между скрещенными николями, то она (пластинка) останется освещённой, причём при вращении столика микроскопа погасания не наступит. Это обусловлено поворотом плоскости поляризации света при прохождении через кристалл на некоторый угол, зависящий от самого вещества, толщины пластинки и длин волн пропускаемого света. Чтобы добиться эффекта погасания, необходимо повернуть на такой же угол одну из призм Николя, т. е. сделать так, чтобы плоскость колебаний лучей, пропускаемых анализатором, оказалась перпендикулярной плоскости колебаний лучей, прошедших через кристалл. Это явление называется оптической активностью. Угол, на который поворачивается плоскость поляризации луча при прохождении через пластинку кристалла толщиной 1 мм, называется удельным вращением.

Оптически активные вещества подразделяются на две группы: к первой относятся вещества, способные проявлять это свойство как в кристаллическом, так и в расплавленном (растворенном) состоянии, ко второй — вещества, активные лишь в кристаллическом состоянии. Это различие связано с природой оптической активности веществ этих групп. Если в кристаллах первой группы оптическая активность определяется симметрией слагающих их структуры комплексов, целиком переходящих в раствор, то при растворении вторых оптическая активность, определяющаяся только структурой немолекулярных кристаллов, утрачивается.