Волны света в кристаллах

Волны света в кристаллах.

Поведением световых волн в кристаллах занимался Эразм Бертолин, он первый заметил, что волны ведут себя нестандартно при прохождении через кристалл. Однажды Берталин зарисовывал двугранные углы исландского шпата, затем он положил кристалл на чертежи, тогда ученый в первый раз увидел, что каждая линия раздваивается. Он несколько раз убедился, что все кристаллы шпата раздваивают свет, лишь тогда Берталин написал трактат Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необыкновенного преломления1669г Ученый разослал результаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям.

Работы были приняты с полным недоверием. Английская Академия наук выделила группу ученых на проверку данного закона Ньютон, Бойль, Гук и др Эта авторитетная комиссия признала явление случайным, а закон несуществующим. О результатах опытов Берталина было забыто. Лишь через 20 лет Христиан Гюйгенс подтвердил правильность открытие Берталина и сам открыл двупреломление в кварце.

Многие ученые, в последствии занимавшиеся этим свойством подтвердили что не только исландский шпат но и многие другие кристаллы раздваивают свет. Не раздваивают свет кристаллы высшей категории такие как алмаз каменная соль, квасцы, гранаты, флюорит. У них ведь вообще анизотропия многих свойств проявляется слабее чем в остальных кристаллах а некоторые свойства изотропны. Во всех кристаллах низшей и средней категорий, конечно если они прозрачны наблюдается двойное преломление света.

Рис.1 Воздух Воздух Стекло Кристалл Преломление возникает из-за различия скорости света в разных средах Так в стекле скорость света в 1,5 раза меньше, чем в воздухе, следовательно коэффициент преломления равен 1,5. Причиной двупреломления является анизотропия скорости света в кристаллах. В изотропной среде волны расходятся во все стороны одинаково, как бы по радиусам шара. Не так в кристаллах. И световые и звуковые волны расходятся в них не кругами, и скорость этих волн, а значит и показатели преломления, в разных направлениях различны. Представим, что в кристалле луч света раздваивается, один ведет себя как обыкновенный, т. е. идет во все стороны по радиусам шара, другой - необыкновенный - идет по радиусам эллипсоида.

В таком кристалле существует одно-единственное направление, в котором двупреломления нет. Обыкновенный и необыкновенный лучи идут вместе, луч света не раздваивается. Оно называется оптической осью. Так ведут себя по отношению к свету кристаллы средней категории, поэтому их называют оптически одноосными.

В кристаллах низшей категории свет тоже испытывает двойное преломление, но уже оба луча ведут себя как необыкновенные, у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и оба распростроняются по радиусам эллипсоида. Кристаллы низшей категории называются оптически двуосными. Кристаллы высшей категории, где свет расходится по радиусам шара во все стороны одинаково, называются оптически изотропны.

Проходя через двупреломляющий кристалл, волна света не только раздваивается, но каждый из образованных лучей еще и поляризуется, раскладываются на две плоскости перпендикулярных друг другу. Является ли поляризация причиной двупреломления Представим себе вспаханное поле, разложим его по двум главным направлениям вдоль и поперек борозд естественно, что вдоль борозд идти проще, чем поперек. Теперь попробуем тащить по вспаханному полю вкось какой-нибудь предмет.

Мы заметим, что предмет будет двигаться не ровно, то скользя вдоль борозд, то перескакивая поперек них. Явно видно, что движение предмета как бы разлагается на два перпендикулярных движения, притом с разными скоростями. Волна ведет себя подобным образом, ведь она должна пройти сквозь атомную решетку, ряды которой лежат перед ней, как борозды на пашне. И она поэтому распадается в кристалле на две волны у которых плоскость колебаний взаимно перпендикулярные. Скорость этих волн в кристалле различны, как различны скорости хода вдоль борозд и перпендикулярно им А раз различны скорости значит и показатели преломления различны, в результате волны разойдутся как это показано на рисунке 1. Как видно из вышесказанного, явления поляризации света и двупреломления тесно связаны друг с другом.

Как растут кристаллы. Еще Стенон писал, что на наружные плоскости ранее ограненного кристалла осаждается новое вещество. Частицы атомы, ионы, молекулы из раствора, пара или расплава оседают на гранях кристаллического зародыша, продолжая его рост слой за слоем.

Теоретически кристаллизация должна начинаться при перенасыщенности раствора на 30-50. Эти цифры были рассчитаны учеными в двадцатые тридцатые годы нашего столетия. Однако на практике кристалл может расти и при малой пересыщенности раствора. Еще одна несостыковка имеет место быть при сравнении теории с практикой. Долгое время ученые считали, что кристалл растет подобно кирпичной кладке пока недостроен предыдущий ряд, новый не строится.

Естественно атому легче осесть на плоскость зацепившись за находящийся рядом атом, но, когда ряд достроен и плоскость не нуждается в новых частицах, куда деваться вновьприбывшему атому Считалось, что он отскакивает обратно в среду, из которой выпал. Тогда рост кристалла прекратился бы уже после построения первой грани. Как же происходит на самом деле В 1948 году английский кристаллограф Франк выдвинул остроумную догадку Кристалл растет не параллельными слоями, не как кирпичная кладка, а подобно винтовой лестнице или спирали.

Кристалл при росте как бы накручивается сам на себя, все время продвигая вперед одну и ту же ступень. На выходе этой ступеньки на грани кристалла как бы заготовлена уютная посадочная площадка для каждой вновь присоединяющейся частицы. И хитрость здесь в том, что частицы, оседая, присоединяются к ступеньке, а ступенька не зарастает, только число оборотов в винтовой лестнице увеличивается, и грань, продвигаясь вперед, непрерывно растет.

Именно так, по представлению Франка, в некоторых местах в кристалле нарушено правильное чередование атомных слоев атомные слои не параллельны друг другу, а закручены в единую винтовую лестницу. Схема такой атомной винтовой лестницы называется винтовая дислокация. Однако, когда Франк рассказал о своей гипотезе на конференции по росту кристаллов в 1948 г слушатели с недоверием отнеслись к его теории, ведь в таком случае на грани кристалла должен быть незарастающий выступ, меж тем спокон веков известно, что грани у кристаллов гладкие.

И тем не менее Франк оказался прав на гранях кристаллов действительно имеются спиральные выступы. Оказалось, что тремя годами ранее в 1945 г. в Москве Г. Г. Леммлейн обнаружил, что на зеркально-гладкой, ровной, плоской грани кристалла имеются спиральные ступеньки. Он обнаружил это при помощи росы нанесенной на грань кристалла. Росинки оседают и выделяют каждую неровность на поверхности, тогда в микроскоп ученый и разглядел эти выступы. Найденный им метод был назван методом росы. Сегодня уже нет сомнений в том, что именно так растут кристаллы из паров, расплавов и из слабо пересыщенных растворов рост облегчается тем, что в кристалле есть винтовые дислокации и кристалл растет вдоль дислокации, образуя единую винтовую лестницу из атомных плоскостей.