Поведение света в анизотропных средах

Кристаллические вещества с более низкой симметрией, чем кубическая, а также некоторые волокнистые образования, молекулы которых ориентированы строго в одном направлении, являются оптически анизотропными. У таких веществ показатели преломления при данной длине волны различаются по разным направлениям распространения световых колебаний, и по этой причине у них наблюдается двойное лучепреломление, называемое также двупреломлением.

7.5.1 Опыт с ромбоэдром кальцита

Наиболее отчетливо двупреломление световых лучей проявляется у высокопрозрачной разновидности кальцита, называемой исландским шпатом.

Кальцит легко раскалывается на обломки в виде ромбоэдров с гранями {1011}. Если такой спайный выколок исландского шпата расположить над точкой, нанесенной на листе бумаги, то, глядя через минерал, мы увидим два изображения точки (рис. 7.17). Одно изображение будет казаться расположенным несколько выше, чем другое, над поверхностью бумаги, а соединяющая их линия будет параллельна диагонали верхней грани ромбоэдра, проходящей через два тупых угла. При повороте кальцитового ромбоэдра по поверхности бумаги верхнее изображение точки остается неподвижным, тогда как нижнее движется вокруг него, оставаясь между неподвижной точкой и тупым углом на верхней грани ромбоэдра.

Если имеется несколько кристаллов исландского шпата, то нетрудно заметить, что расстояние между точками тем больше, чем толще ромбоэдр, через который они рассматриваются. Если теперь, продолжая смотреть вертикально вниз на точки, начать переворачивать ромбоэдр на тупой угол, находящийся под выступающей гранью спайного выколка, то нижняя точка будет приближаться к верхней и в конце концов они сольются (рис. 7.18). Слияние наступает в тот момент, когда линия наблюдения располагается параллельно линии, рав-нонаклоненной к трем плоскостям {1011}, сходящимся на тупом телесном угле ромбоэдра. Это явление можно увидеть и при обычном положении ромбоэдра, но лучше поставить его на плоскость тупого телесного угла, чтобы лучи света пересекали ее перпендикулярно.

Проведенные наблюдения позволяют сделать следующие выводы:

1. Когда ромбоэдр исландского шпата лежит на грани и видно два изображения точки, то свет от бумаги проходит через него двумя путями.

2. Поскольку одно изображение точки перемещается вокруг другого, то лучи, образующие движущееся изображение, наклонены под определенным углом и направлены параллельно диагонали, соединяющей тупые углы грани ромбоэдра. Лучи, создающие неподвижное изображение, проходят через кристалл не отклоняясь. Другими словами, один луч преломляется, а другой — нет. Кроме того, в кристалле кальцита возможны только два пути прохождения света, направления которых обусловлены дан-

Рис. 7.17 Вращение ромбоэдра кальцита над точкой. Заштрихованная точка выглядит менее четкой и кажется находящейся ниже.

ной формой кристалла (и, следовательно, его внутренней структурой), и поэтому они сохраняют одну и ту же связь с геометрией ромбоэдра при его вращении.

Все большее разделение изображений при увеличении толщины ромбоэдра объясняется тем, что при отклонении луча возрастает длина его пути в кристалле.

3. Поскольку кажется, что одна точка расположена выше, чем другая, мы можем сделать вывод, что для лучей, формирующих изображение верхней точки, показатель преломления в минерале больше, чем для лучей, образующих нижнюю точку. Когда мы наблюдаем за рыбой в аквариуме, она кажется нам расположенной ближе к стеклу, чем это есть на самом деле. Данное явление объясняется тем, что глаз формирует изображение на основе лучей света,

Линия наблюдения, при которой видно только одно изображение (ромбоэдр положен на тупой телесный угол)

Рис. 7.18 Наблюдение точки вдоль оптической оси кальцита.

претерпевших конвергенцию в результате преломления на границе между водой и воздухом, а не с помощью лучей, которые исходили из точки нахождения рыбы (рис. 7.19). Этот эффект тем значительнее, чем больше разница в показателях преломления двух сред. 4. Слияние двух изображений при движении лучей параллельно линии, равнонаклоненной к плоскостям {1011} (т.е. параллельно кристаллографической оси z) возникает потому, что двупреломления вдоль этого направления не происходит и весь пучок света распространяется по одному пути.

7.5.2 Обыкновенный и необыкновенный луч

В опыте с ромбоэдром кальцита свет отражается от бумаги и проходит через лежащий на ней кристалл. Если при этом мы смотрим на ромбоэдр вертикально вниз, то попадающий к нам в глаз свет при своем прохождении снизу имеет нормальное падение по отношению к грани ромбоэдра. Рассматривая прохождение света из воздуха в изотропное вещество, мы видели, что при нормальном падении свет не преломляется, а просто замедляется; преломление происходит только при наклонном падении.

Однако свет, падающий по нормали на поверхность кальцита, распадается на два луча, только один из которых преломляется. Преломленные лучи называются необыкновенными (или е-лучами), а лучи, не испытавшие преломления, — обыкновенными (или о-лучами).

7.5.3 Направления лучей, волновой нормали и колебаний света

Направление распространения световой энергии (направление световых лучей) после преломления в анизотропном веществе не может в дальнейшем по-прежнему оставаться нормальным к фронту распространяющихся волн, которые образуют пучок света, т. е. совпадать по направлению с волновой нормалью. Работая с оптическими приборами, исследователь имеет дело как раз с направлением волновой нормали. Именно к скорости по этому направлению применим закон Снеллиуса.

Для минералогов более важен тот факт, что скорость света в направлении волновой нормали зависит не от направления этой нормали (или направления лучей), а от направления колебаний в световых волнах. Волны, распространяющиеся в кристалле в различных направлениях, обладают одинаковой скоростью в том случае, если направления их колебаний кристаллографически одинаковы. Поэтому мы настоятельно рекомендуем студентам при рассмотрении поведения света в кристаллах учитывать направление его колебаний, и вспоминать об этом, когда возникают трудности с определением направлений распространения света. Причины, определяющие значимость направления колебаний, можно понять, если вспомнить о величине электрического смещения¹ у света, взаимодействующего с заряженными электронными облаками атомов во время его продвижения сквозь кристалл. Направление колебаний у света определяется характером и последовательностью расположения атомов, с которыми он сталкивается на своем пути.

Дата добавления: 2015-06-04