О некоторых свойствах кристаллов.
Физические свойства кристаллов чаще всего зависят от их структуры и химического строения.
Сначала стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия, о которой уже упоминалась выше. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Так, например, если вырезать из кристалла поваренной соли в различных направлениях стержни в поперечным сечением 1мм2 и испытать их на разрыв, то окажется, что они имеют различную прочность.
Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.
Поговорим сначала об электрических свойствах. В принципе электрические свойства кристаллов можно рассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока.
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 преломления»(1669г.). 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 Преломление света на границе раздела двух сред.
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.