Hiện tượng lưỡng chiết

Lưỡng chiết được định nghĩa chính thức là sự khúc xạ kép trong một chất trong suốt, phân tử có trật tự, biểu hiện bởi sự tồn tại của sự chênh lệch chiết suất phụ thuộc vào định hướng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hiện tượng lưỡng chiết Hiện tượng lưỡng chiết Lưỡng chiết được định nghĩa chính thức là sự khúc xạ kép trong một chấttrong suốt, phân tử có trật tự, biểu hiện bởi sự tồn tại của sự chênh lệch chiết suấtphụ thuộc vào định hướng. Nhiều chất rắn trong suốt có tính đẳng hướng quanghọc, nghĩa là chiết suất bằng nhau theo mọi hướng trong toàn bộ mạng tinh thể. Vídụ cho chất rắn đẳng hướng là thủy tinh, muối ăn (NaCl, như minh họa trong hình1(a) ), nhiều polyme, và nhiều loại hợp chất đa dạng cả hữu cơ và vô cơ. Cấu trúc mạng tinh thể đơn giản nhất là hình lập phương, như minh họa bởimô hình phân tử natri clorit trong hình 1(a), một sự sắp xếp trong đó tất cả các ionnatri và clo bố trí có trật tự với khoảng cách đều nhau dọc theo ba trục vuông góc.Mỗi ion clo được bao quang bởi (và liên kết tĩnh điện với) sáu ion natri riêng lẻ vàngược lại đối với ion natri. Cấu trúc mạng trong hình 1(b) biểu diễn khoáng vậtcanxit (canxi cacbonat) gồm một mảng ba chiều hơi phức tạp, nhưng có trật tự cao,của các ion canxi và cacbonat. Canxit có cấu trúc mạng tinh thể không đẳng hướng,nó tương tác với ánh sáng theo kiểu hoàn toàn khác với các tinh thể đẳng hướng.Polyme minh họa trong hình 1(c) là vô định hình và không có bất cứ cấu trúc tinhthể tuần hoàn nào có thể nhận ra được. Các polyme thường có một số mức độ trậttự tinh thể và có thể hoặc không thể trong suốt về mặt quang học. Các tinh thể được phân loại là đẳng hướng hoặc dị hướng tùy thuộc vàohành trạng quang của chúng và các trục tinh thể của chúng có tương đương vớinhau hay không. Tất cả các tinh thể đẳng hướng đều có các trục tương đươngtương tác với ánh sáng theo kiểu giống nhau, bất chấp sự định hướng tinh thể sovới sóng ánh sáng tới. Ánh sáng đi vào tinh thể đẳng hướng bị khúc xạ ở mộc góckhông đổi và truyền qua tinh thể ở một vận tốc mà không bị phân cực do tương tácvới các thành phần điện của mạng tinh thể. Thuật ngữ dị hướng dùng để chỉ đặc điểm phân bố không gian không đều,mang lại những giá trị khác nhau có thể thu được khi vật được khảo sát từ một vàihướng bên trong cùng chất đó. Những tính chất quan sát thấy thường phụ thuộcvào phép khảo sát nhất định được sử dụng và thường thay đổi tùy thuộc vào hiệntượng quan sát dựa trên các sự kiện quang học, âm học, nhiệt học, từ học hay làđiện học. Mặt khác, như đã nói ở phần trên, tính đẳng hướng vẫn giữ được sự đốixứng, bất chấp đến hướng đo đạc, với mỗi loại khảo sát sẽ cho kết quả báo cáogiống nhau. Các tinh thể dị hướng, như thạch anh, canxit, tuamalin, có các trục tinh thểkhác biệt và tương tác với ánh sáng bằng một cơ chế phụ thuộc vào sự định hướngcủa mạng tinh thể so với góc ánh sáng tới. Khi ánh sáng đi vào trục quang của tinhthể dị hướng, nó xử sự theo kiểu tương tự như tương tác với tinh thể đẳng hướng,và truyền qua với một vận tốc. Tuy nhi ên, khi ánh sáng đi vào trục không tươngđương, nó bị khúc xạ thành hai tia, mỗi tia bị phân cực với hướng dao động địnhhướng vuông góc (trực giao) với nhau và truyền đi ở vận tốc khác nhau. Hiệntượng này được gọi là sự khúc xạ kép hoặc lưỡng chiết và được biểu hiện ở mộtmức độ lớn hoặc nhỏ trong mọi tinh thể dị hướng. Bức xạ điện từ truyền qua không gian với dao động vectơ điện trường và từtrường theo kiểu sin vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Vìánh sáng khả kiến gồm cả thành phần điện và từ, nên vận tốc ánh sáng truyền quachất một phần phụ thuộc vào độ dẫn điện của chất. Sóng ánh sáng truyền qua mộttinh thể trong suốt phải tương tác với các điện trường địa phương trong hànhtrình của chúng. Tốc độ tương đối mà tín hiệu điện truyền qua chất thay đổi theoloại tín hiệu và tương tác của nó với cấu trúc điện tử, và được xác định bằng mộtthuộc tính gọi là hằng số điện môi của chất. Quan hệ vectơ giới hạn tương tác giữamột sóng ánh sáng và tinh thể mà qua đó nó truyền qua bị chi phối bởi sự địnhhướng vốn có của các vectơ điện mạng tinh thể và hướng của vectơ thành phầnđiện của sóng. Do đó, việc xem xét kĩ lưỡng các tính chất điện của chất dị hướng làcơ sở để tìm hiểu cách thức sóng ánh sáng tương tác với chất khi nó truyền qua. Hiện tượng khúc xạ kép có cơ sở là các định luật điện từ học, lần đầu tiênđược đề xuất bởi nhà toán học người Anh James Clerk Maxwell vào những năm1860. Loạt phương trình phức tạp của ông chứng tỏ rằng vận tốc ánh sáng qua mộtchất bằng với tốc độ ánh sáng trong chân không (c) chia cho căn bậc hai của tích sốcủa hằng số điện môi (ε) và độ từ thẩm (µ) của môi trường. Nói chung, các chấtsinh khối có độ từ thẩm rất gần với 1,0. Hằng số điện môi của một chất, do đó, liênhệ với chiết suất của nó qua phương trình đơn giản sau ε = n2 trong đó e là hằng số điện môi, và n là chiết suất đo được của môi trường.Phương trình này thu được cho những tần số nhất định của ánh sáng và bỏ qua sựtán sắc của ánh sáng đa sắc khi nó truyền qua chất. Các tinh thể dị hướng gồm cácđịnh hướng mạng nguyên tử và phân tử phức tạp có tính chất điện biến thiên phụthuộc vào hướng mà chúng được khảo sát. Kết quả là chiết suất cũng biến thiêntheo hướng khi ánh sáng truyền qua một tinh thể dị hướng, làm tăng vận tốc vàquỹ đạo theo những hướng nhất định. Có lẽ một trong những bằng chứng gây ấn tượng sâu sắc nhất của sự khúc xạkép là hiện tượng xảy ra với tinh thể canxi cacbonat (canxit), như minh họa tronghình 2. Khối canxit dễ tách tạo ra hai ảnh khi đặt nó trên vật, và rồi nhìn với ánhsáng phản xạ truyền qua tinh thể. Một trong hai ảnh xuất hiện dưới dạng bìnhthường như mong đợi khi quan sát một vật qua thủy tinh trong hoặc một tinh thểđẳng hướng, còn ảnh kia thì hơi bị dịch chỗ, do bản chất của ánh sáng khúc xạ kép.Khi tinh thể dị hướng khúc xạ ánh sáng, chúng tách tia sáng tới thành hai thànhphần đi theo những đường khác nhau trong hành trình của chúng qua tinh thể vàló ra dưới dạng c ...