4.4 Основы кристаллооптики

4.4.1 Описание основных экспериментов. Двойное лучепреломление

При изучении явлений интерференции и дифракции вопрос о том, являются ли световые волны продольными или поперечными, имел второстепенное значение.

Анализ уравнений Максвелла приводит к выводу, что изменение во времени электрической напряженности Е сопровождается появлением переменного магнитного поля Н. Переменное электромагнитное поле не остается неподвижным в пространстве, а распространяется со скоростью света вдоль линии, перпендикулярной к векторам Е и Н, образуя электромагнитные световые волны (рисунок- 4.45). Ориентация векторов Е и Н не является осью симметрии этих волн. Такая асимметрия характерна для поперечных волн, продольные же волны всегда симметричны по отношению к направлению ее распространения. Таким образом, асимметрия относительно луча и является одним из признаков, который отличает поперечную волну от продольной. Этот признак и был использован для экспериментального доказательства поперечности световых волн.

Предметом опытного исследования асимметрии может, очевидно, служить только система, которая, в свою очередь, обладает свойством асимметрии. Такой системой, пригодной для исследования свойств светового луча, может служить анизотропный кристалл, свойства которого по различным направлениям различны.

Прохождение света через анизотропное вещество связано с рядом своеобразных явлений. Еще в 1670 г. Эразм Бартоломинус наблюдал, что при прохождении через исландский шпат световой луч разбивается на два. Это явление получило название двойного лучепреломления.

Исландский шпат есть разновидность углекислого кальция (СаС03). Он встречается в природе в виде довольно больших и оптически чистых кристаллов. Кристаллы исландского шпата принадлежат к гексагональной системе, легко раскалывается по определенным плоскостям, и потому его можно легко привести к форме ромбоэдра, ограниченного шестью подобными параллелограммами с углами 78°08' и 101 °52' (рисунок - 4.46). Узкий пучок света, преломляясь в таком кристалле, по выходе из него дает два пучка, идущих по несколько различным направлениям. Исследуя свойства обоих лучей, можно убедиться, что для одного из них отношение синуса угла падения к синусу угла преломления - остается постоянным. При изменении угла падения; этот луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной к поверхности пластинки в точке падения. Таким образом, он удовлетворяет обычному закону преломления. Этот луч называется обыкновенным лучом. Второй луч называется необыкновенным. Для него указанное отношение не остается постоянным при изменении угла падения. Его обыкновенный показатель преломления п₀ = 1,6585, необыкновенный п_е = 1,4863 (для желтой линии).

Меняя направление падающего луча, можно убедиться, что внутри кристалла существуют такие направления, вдоль которых луч распространяется, не разбиваясь на два. Для исландского шпата таким направлением является направление, параллельное диагонали АВ, соединяющей тупые углы естественного ромбоэдра (рисунок -4.46). Прямая, проведенная через любую точку кристалла, в направлении, в котором не происходит двойного лучепреломления, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла, соответствующей этому лучу. Через кристалл, очевидно, можно провести бесчисленное множество оптических осей и бесчисленное множество главных сечений. Линия пересечения любых двух главных сечений всегда является оптической осью.

Рисунок - 4.45	Рисунок - 4.46

Кристаллы, имеющие лишь одно направление, вдоль которого не происходит двойного лучепреломления, называются одноосными. Существуют кристаллы, имеющие два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления, — они называются двуосными.

В большинстве прозрачных одноосных кристаллов поглощение обыкновенного и необыкновенного лучей одинаково. Однако существуют и такие кристаллы, в которых один из лучей поглощается сильнее другого. Такое различное поглощение называется дихроизмом. Весьма сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина. В кристалле турмалина толщиной в 1мм обыкновенный луч практически полностью поглощается. Это свойство турмалина используется для получения поляризованного света. Кроме естественных твердых кристаллов, двойное лучепреломление дают жидкие кристаллы, аморфные тела при деформации и жидкости в электрическом поле.