Kristályok optikai tulajdonságai Debrecen, 2018. december 06.
A kristályok fizikai tulajdonságai Anizotrópia - kristályos anyagokban az egyes irányokban az eltérő rácspontsűrűség miatt a fizikai tulajdonságaik (pl. vezetőképesség, keménység stb.) is irányonként változnak egyazon kristályon belül. A vektoriális sajátságok nagyrésze fokozatosan változik az iránnyal, ezeknek a sajátságoknak a kristályon belül mért értékei egy ellipszoidot határoznak meg. Ilyenek pl. a fénytani, hőtani, vagy a mágneses sajátságok. Az ellipszoid szimmetriája szoros kapcsolatban van a kristályrendszerrel.
A. háromtengelyű ellipszoid: triklin, monoklin és rombos rendszerek B. forgási ellipszoid: tetragonális, trigonális és hexagonális (főtengelyes) rendszerek C. gömb: szabályos rendszer (izotróp)
A kristályok optikai sajátságai A kristályok optikai sajátságai a fény hullámtermészetével magyarázhatók A fény periodikus transzverzális hullám, amelyben az elektromos és mágneses térerősség időben és térben periodikusan változik. Egymásra merőlegesen rezgő elektromos (E) és mágneses (M) térerősség vektor λ - a fény hullámhossza (látható fény 390 és 750 nm) c - a fény sebessége
A továbbiakban csak az elektromos vektort vesszük figyelembe, ennek rezgési síkja a fény rezgési síkja. A természetes fény nem polarizált, benne mindenféle hosszanti síkban rezgő fényhullám megtalálható. Polarizált fény - ha a fényhullámokban az elektromos térerősségvektor rezgési síkja egységes irányú
Polarizált (síkban polarizált) fény a természetben: Viztükörről, ablaküvegről visszaverődő fény polarizálódik Előállítása - polárszűrővel Üveg, vagy celluloid lapra vékony kristályréteget visznek fel, és a kettősen törő kristály csak a meghatározott síkban polarizált fényt engedi át. Ez az áteresztés iránya
Polárszűrők párhuzamos és keresztezett állásban (csak síkban polarizáló szűrőkre) Polarizált fény és polárszűrők használata Lineáris polárszűrő - lcd monitorok, hagymányos fényképezés (műszerek, mikroszkópok, lézerek) Cirkuláris polárszűrő - 3d szemüveg a mozikban, digitális fényképezőgép polárszűrője
Fénytörés - két eltérő optikai sűrűségű közeg között Snellius - Descartes törvény v 1 sin α n 2,1 = = sin β v 1 v 2 A törésmutató mindig két közegre vonatkozik (relatív törésmutató). Ha az első közeg vákuum, akkor abszolút törésmutatóról beszélünk. v 2 Levegőre szokták megadni
Diszperzió (színszórás) Ugyanolyan körülmények között az eltérő színű (=hullámhosszúságú) fénysugarak kissé különböző szögben törnek meg Plánparalell lemez - nincs színszórás, mert kilépéskor a fénysugarak (színek) újra egyesülnek. Prízma - színszóródás következik be. Gyémánt - nagy törésmutató, nagy diszperzió.
Teljes visszaverődés (ha a fény optikailag sűrűbb közegből ritkább közegbe lép) A fény terjedése izotróp, illetve anizotróp közegben eltérő - ezért fontos a fénytörés, törésmutató, fény haladási sebessége, polarizáció.
Kettős törés Romboéderes víztiszta kalcit - izlandi pát
Magyarázat kalcit romboéder A kalcit (és minden optikailag anizotróp kristály) a fényt kettősen töri: a kristályba belépő fénysugár két sugárra bomlik. Mindkét sugár polarizált, rezgési síkjuk egymásra merőleges. Ha a fénysugár merőlegesen esik a romboéder lapra, akkor az egyik sugár törés nélkül halad át a kristályon (az o jelű sugár), a másik azonban belépéskor és kilépéskor is az irányát változtatja (e jelű sugár).
Ordinárius (o) sugár - a vízszintesen rezgő sugár követi a Snellius- Descartes törvényt, ennek terjedési sebessége minden irányban egyforma - erre a sugárra nézve a kristály izotróp, a törésmutató nem függ az iránytól. Extraordinárius (e) sugár - a függőleges síkban rezgő sugár, ennek terjedési sebessége más, mint az ordinárius sugáré és függ az iránytól. Erre a sugárra, a törésmutatója is irány szerint változik. Erre a sugárra nézve a kristály anizotróp. A kettőstörés mértéke függ az orientációtól (haladási iránytól)
Nicol-prízma Síkban polarizált fény előállítására Ehhez egy víztiszta kalcit romboéder kristályt átlósan kettévágnak, majd kisebb törésmutatójú anyaggal (kanadabalzsam) összeragasztanak. A romboéder síkot 71 o -ra csiszolják. Az erősebben törő sugár a vágási határfelületre a teljes visszaverődés szögénél nagyobb szögben érkezik, így kiszűrődik (elnyeli a kristány foglalata), míg a másik sugár a kisebb törés miatt az eredeti irányban áthatol a kristályon. Az eredmény egy síkban polarizált fénnyaláb.
A síkban polarizált fény előállításához ma már polárszűrőt használnak, de a Nicol-prízma, vagy nikol nevet még mindíg használják a mikroszkópiában (ld. később) a polárszűrő, vagy polarizátor szinonímájaként. A kristályok optikai tulajdonságai a szimmetriától, azaz a kristályrendszertől függenek. A kristályok három csoportra oszthatók: 1. Triklin, monoklin és rombos rendszerű kristályok 2. Tetragonális, trigonális és hexagonális rendszerű kristályok (főtengelyes rendszerek) 3. Szabályos rendszerű kristályok (optikailag izotrópok) (A 3 csoport optikai tulajdonságait nem tárgyaljuk)
Optikai aktivitás A feles szimmetriájú, ún. enantiomorf oszályokba tartozó kristályoknak csak girjeik vannak - azaz csak forgatási szimmetriát mutatnak. Nincs se tükörsíkjuk, se inverzióspontjuk. Ezeknek az ásványoknak van jobb és bal formája - mint a királis molekuláknak - és a polarizált fény rezgési síkját is ugyanúgy elforgatják. Van jobbra és balra forgató kvarc.
Amit tudni kell - polarizált fény - kettőstörés - ordinárius és extraordinárius sugarak tulajdonságai - optikai aktivitás
Kristályok (ásványok) polarizációs mikroszkópban Kivehető polárszűrő (analizátor) Forgatható tárgyasztal Minta (csiszolat) Polárszűrő (polarizátor) Feszültségmentes objektívek
Csiszolat - kb. 30 mikron vastag, átlátszó kőzetlemez
A vizsgálatok polarizált fényben történnek. Csak egy polárszűrő (polarizátor), a minta előtt - ez sok szempontból olyan, mint ha normál fényben vizsgálnánk a mintát (egy nikollal) Azonban van olyan ásvány, amely a polarizációs fény rezgési síkjához képest változtatja a színét
Vizsgálatok két polaroid szűrővel (két nikollal) A két szűrő iránya 90 o -ot zár be egymással (keresztezett nikol állás) - az első szűrőn átment polarizált fény nem megy át a rezgési síkjára merőlegesen álló második szűrőn. Sötét látótér. Köztes állapot - a második szűrő a polarizált fény megfelelő irányú komponensét engedi át, állástől függően különböző fényességű látótér. A vizsgálatokat keresztezett nikolok között végzik.
Ha a két polarizátor közé teszem a mintát (csiszolatot): Izotróp, amorf anyagok (üveg), vagy szabályos rendszerben kristályosodó ásványok nem csinálnak semmit a polarizált fénnyel, az ásvány a látótérben sötét marad. Anizotróp, kettőstörő ásvány - az ebbe belépő polarizált fény (az ásványszemcse orientációjától függően) ordinárius és extraordinárius sugárra bomlik. Ezek rezgési síkjai azonban nem azonosak (nem párhuzamosak és nem merőlegesek) a belépő fény síkjára, így a második polarizátor a fény egy részét átengedi - az ásvány világos marad. Ez azonban függ az orientációtól. A tárgylemez forgatásával az ásvány 90 o -ként elsötétül és kivilágosodik. A két fénysugár (ordinárius és extraordinárius) között útkülönbség lép fel. A második polarizátor után a két sugár egyesül, és interferál egymással, ezért különböző interferenciaszíneket látunk.