Hiện tượng lưỡng chiết pdf

Các đầu sóng thường và bất thường trong tinh thể một trục trùng nhau tại trục chậm hoặc trục nhanh của elipsoid tùy thuộc vào sự phân bố chiết suất bên trong tinh thể minh họa trong hình

Hiện tượng lưỡng

chiết

Các chất tinh thể trong suốt thường được phân làm hai loại định rõ bởi số trục quang có mặt trong mạng phân tử Tinh thể một trục có một trục quang và gồm họ hàng đông nhất của các chất lưỡng chiết phổ biến, như canxit, thạch anh,

và các cấu trúc tổng hợp hoặc sinh học có trật tự Loại chủ yếu kia là tinh thể hai trục, chúng là những chất lưỡng chiết có hai trục quang độc lập Các đầu sóng thường và bất thường trong tinh thể một trục trùng nhau tại trục chậm hoặc trục nhanh của elipsoid tùy thuộc vào sự phân bố chiết suất bên trong tinh thể (minh họa trong hình 6) Hiệu quang trình hoặc độ trễ tương đối giữa các tia này được xác định bởi sự trễ của một sóng phía sau sóng kia trong mặt đầu sóng nằm dọc theo hướng truyền

Trong trường hợp mà các đầu sóng thường và bất thường trùng nhau tại trục dài hoặc trục chính của elipsoid, thì chiết suất mà sóng bất thường chịu lớn hơn so với sóng thường (hình 6(b)) Tình huống này được gọi là lưỡng chiết

dương Tuy nhiên, nếu các đầu sóng thường và bất thường chồng lấn tại trục chính của elipsoid (hình 6(a)), thì xảy ra tình huống ngược lại Trong thực tế, chiết suất

mà qua đó sóng thường truyền vượt quá chiết suất của sóng bất thường, và chất

đó được gọi là lưỡng chiết âm Biểu đồ elipsoid liên hệ sự định hướng và độ lớn

tương đối của chiết suất trong tinh thể được gọi là elipsoid chiết suất, và như minh họa trong hình 5 và 6

Trở lại với tinh thể canxit biểu diễn trong hình 2, tinh thể được minh họa đó

có trục quang nằm tại góc trên bên trái Khi đi vào tinh thể, sóng ánh sáng thường

bị khúc xạ mà không bị lệch khỏi góc tới bình thường như thể nó truyền qua một môi trường đẳng hướng Còn sóng bất thường bị lệch sang bên trái và truyền đi với vectơ điện trường vuông góc với vectơ điện trường của sóng thường Vì canxit

là tinh thể lưỡng chiết âm, nên sóng thường là sóng chậm và sóng bất thường là sóng nhanh

Các tinh thể lưỡng chiết trong kính hiển vi quang học phân cực

Như đã đề cập ở phần trên, ánh sáng bị khúc xạ kép qua tinh thể dị hướng bị phân cực có hướng dao động vectơ điện trường của sóng thường và sóng bất

thường định hướng vuông góc với nhau Hành trạng của các tinh thể dị hướng dưới sự chiếu sáng phân cực trực giao trong kính hiển vi quang học bây giờ có thể xác định được Hình 7 minh họa một tinh thể lưỡng chiết (dị hướng) đặt giữa hai

bản phân cực có hướng dao động vuông góc với nhau (và nằm theo hướng chỉ bởi mũi tên hướng tới kí hiệu bản phân cực và bản phân tích)

Ánh sáng trắng không phân cực từ đèn rọi đi vào bản phân cực ở bên trái và

bị phân cực thẳng và định hướng theo hướng chỉ bởi mũi tên (sát bên kí hiệu bản phân cực) và được biểu diễn tùy tiện bằng một sóng ánh sáng sin màu đỏ Sau đó, ánh sáng phân cực đi vào tinh thể dị hướng (gắn trên bàn soi hiển vi), ở đó nó bị khúc xạ và chia tách thành hai thành phần tách biệt dao động song song với trục tinh thể và vuông góc với nhau Sóng ánh sáng phân cực sau đó truyền qua bản phân tích (có hướng phân cực được chỉ bởi mũi tên kế bên kí hiệu bản phân tích), chỉ cho phép những thành phần sóng ánh sáng song song với trục truyền bản phân tích đi qua Độ trễ tương đối của tia này so với tia kia được biểu thị bằng một

phương trình (chiều dày nhân với hiệu chiết suất) liên quan tới sự dao động tốc độ giữa tia thường và tia bất thường bị khúc xạ bởi tinh thể dị hướng

Để kiểm tra chặt chẽ hơn xem các tinh thể lưỡng chiết, dị hướng tương tác với ánh sáng phân cực trong kính hiển vi quang học như thế nào, sẽ phải xét đến tính chất của từng tinh thể một Chất là tinh thể lưỡng chiết, giả sử có hình bốn cạnh, có một trục quang định hướng theo phương song song với trục dài của tinh thể Sự rọi sáng trong hình 8 biểu diễn tinh thể như nó sẽ xuất hiện trong thị kính của kính hiển vi dưới sự rọi sáng phân cực trực giao khi nó quay xung quanh trục quang kính hiển vi Trong mỗi khung của hình 8, trục của bản phân cực kính hiển

vi được chỉ rõ bởi kí tự in hoa P và định hướng Đông-Tây (nằm ngang) Trục của bản phân tích kính hiển vi được chỉ bằng kí tự A định hướng Bắc-Nam (thẳng

đứng) Các trục này vuông góc với nhau và gây ra vùng tối hoàn toàn khi quan sát qua thị kính không có mẫu vật nào trên bàn soi hiển vi

Hình 8(a) minh họa tinh thể dị hướng hình 4 cạnh, lưỡng chiết ở tình trạng định hướng trong đó trục (quang) dài của tinh thể nằm song song với trục truyền của bản phân tích Trong trường hợp này, ánh sáng truyền qua bản phân tích, và rồi qua tinh thể, dao động trong mặt phẳng song song với hướng của bản phân tích

Vì không có ánh sáng nào tới trên tinh thể bị khúc xạ thành sóng thường và sóng bất thường phân kì, nên sóng ánh sáng đẳng hướng truyền qua tinh thể không tạo

ra được dao động vectơ điện trong hướng chính xác để truyền qua bản phân tích

và mang lại hiệu ứng giao thoa (xem mũi tên nằm ngang trong hình 8(a) và phần dưới đây) Kết quả là tinh thể rất tối, hầu như không nhìn thấy được trên nền màu đen Đối với nhiều kết quả rọi sáng, tinh thể mô tả trong hình 8(a) không tắt hoàn toàn (như khi nó nằm giữa các bản phân cực trực giao) mà truyền qua một phần nhỏ ánh sáng đỏ, cho phép người đọc lưu ý đến vị trí của tinh thể

Các nhà hiển vi học kinh điển thường gọi sự định hướng này là vị trí dập tắt đối với tinh thể, nó đóng vai trò quan trọng làm một điểm tham chiếu để xác định chiết suất của chất dị hướng bằng kính hiển vi phân cực Bằng cách gỡ bỏ bản phân tích trong kính hiển vi phân cực trực gíao, thì một hướng cho phép của dao động sáng truyền qua bản phân cực tương tác với chỉ một thành phần điện trong tinh thể lưỡng chiết Kĩ thuật đó cho phép sự chia tách của một chiết suất cho phép đo

Sau đó, chiết suất còn lại của chất lưỡng chiết có thể đo bằng cách quay bản phân cực đi 90 độ

Tình huống rất khác đi trong hình 8(b), trong đó trục (quang) dài của tinh thể bây giờ nằm ở một góc xiên (a) so với trục truyền của bản phân cực, một tình huống xảy ra qua sự quay bản soi kính hiển vi Trong trường hợp này, một phần ánh sáng đi tới trên tinh thể từ bản phân cực được truyền lên bản phân tích Để nhận được ước tính định lượng của lượng ánh sáng truyền qua bản phân tích, một phép phân tích vectơ đơn giản có thể được áp dụng để giải quyết vấn đề này Bước thứ nhất là xác định những đóng góp từ bản phân cực cho o và e (xem hình 8(b), các kí hiệu đại diện cho tia thường (o) và tia bất thường (e), chúng đã được nói tới trong phần trước) Chiếu các vectơ xuống trục của bản phân cực, và giả sử một giá trị 1 tùy ý cho cả o và e, chúng tỉ lệ với cường độ thật sự của tia thường và tia bất thường Những đóng góp từ bản phân cực cho o và e được minh họa bằng các mũi tên màu đen có kí hiệu x và y trên trục bản phân cực (P) trong hình 8(b) Những chiều dài này sau đó được đo lên các vectơ o và e (minh họa bằng các mũi tên màu

đỏ biểu diễn các vectơ), sau đó cộng lại tạo nên vectơ tổng hợp r’ Chiếu vectơ tổng lên trục bản phân tích (A) tạo ra giá trị tuyệt đối R Giá trị của R trên trục bản phân tích tỉ lệ với lượng ánh sáng truyền qua bản phân tích Kết quả cho thấy một phần ánh sáng từ bản phân cực truyền qua bản phân tích và tinh thể lưỡng chiết biểu hiện một số mức độ sáng ngời

Độ sáng cực đại đối với chất lưỡng chiết quan sát thấy khi trục (quang) dài của tinh thể định hướng hợp góc 45 độ so với cả bản phân cực và bản phân tích, như minh họa trong hình 8(c) Chiếu vectơ o và e xuống trục bản phân cực (P) xác định những đóng góp từ bản phân cực cho những vectơ này Khi những hình chiếu này được đo lên vectơ, vectơ tổng có thể xác định bằng cách hoàn chỉnh một tam giác đến trục của bản phân tích (A) Kĩ thuật vừa mô tả sẽ chỉ hoạt động đối với sự định hướng của bất kì tinh thể nào so với trục bản phân cực và bản phân tích, vì o

và e luôn luôn vuông góc với nhau, chỉ có sự chênh lệch về định hướng của o và e

so với trục tinh thể mà thôi

Khi các tia thường và bất thường ló ra khỏi tinh thể lưỡng chiết, chúng vẫn dao động vuông góc với nhau Tuy nhiên, các thành phần của những sóng này

truyền qua bản phân tích đang dao động trong cùng một mặt phẳng (như minh họa trong hình 8) Vì sóng này trễ so với sóng kia, nên giao thoa (tăng cường hoặc triệt tiêu) xảy ra giữa các sóng khi chúng truyền qua bản phân tích Kết quả chung cuộc

là một số chất lưỡng chiết có được một phổ màu sắc khi quan sát trong ánh sáng trắng qua các bản phân cực trực giao

Phân tích định lượng màu sắc giao thoa quan sát thấy ở vật lưỡng chiết

thường được thực hiện bằng cách tham khảo biểu đồ Michel-Levy giống như biểu

đồ minh họa trong hình 9 Như đã rõ ràng từ biểu đồ này, các màu phân cực được

hình dung trong kính hiển vi và ghi lên phim hoặc chụp kĩ thuật số có thể tương quan với độ trễ thực tế, chiều dày, và độ lưỡng chiết của vật Biểu đồ tương đối dễ

sử dụng với các vật lưỡng chiết nếu hai trong số ba biến yêu cầu đã được biết Khi vật được đặt giữa các bản phân cực trực giao trong kính hiển vi và quay đến vị trí

có độ sáng cực đại bằng bất kì một trong số nhiều đĩa trễ đa dạng, thì màu sắc hình dung được trong thị kính có thể cho biết trục trễ để tìm sự chênh lệch bước sóng giữa các sóng thường và bất thường truyền qua vật Bằng cách đo chiết suất của vật dị hướng và tính độ chênh lệch (lưỡng chiết) của chúng, thì màu sắc giao thoa

có thể được xác định từ các giá trị lưỡng chiết dọc theo phần trên của biểu đồ Bằng cách ngoại suy các đường xiên góc trở lại trục tung, thì có thể ước tính được chiều dày của vật

Phần phía dưới của biểu đồ Michel-Levy (trục x) đánh dấu các bậc trễ theo bội của gần 550 nanomét Khu vực giữa 0 và 550nm được gọi là bậc 1 của màu sắc phân cực, và màu đỏ tươi xuất hiện trong vùng 550nm thường được gọi là màu đỏ bậc 1 Các màu nằm giữa 550 và 1000nm được gọi là các màu bậc 2, và cứ thế tiếp tục trong biểu đồ Màu đen tại nơi bắt đầu của biểu đồ gọi là màu đen bậc 0 Nhiều biểu đồ Michel-Levy in trong các sách giáo khoa vẽ các màu bậc cao lên tới bậc 5 hoặc bậc 6

Khu vực nhạy cảm nhất của biểu đồ là màu đỏ bậc 1 (550nm), vì chỉ một sự thay đổi nhỏ trong độ trễ đã làm cho màu sắc lệch đột ngột lên vùng bước sóng lục lam hoặc xuống màu vàng Nhiều nhà chế tạo kính hiển vi đã khai thác sự nhạy này bằng cách cung cấp một đĩa trễ toàn sóng hoặc bộ phận bù màu đỏ bậc 1 với kính hiển vi phân cực của họ để hỗ trợ các nhà khoa học trong việc xác định các tính chất của chất lưỡng chiết

Phân loại sự lưỡng chiết

Mặc dù lưỡng chiết là một tính chất cố hữu của nhiều tinh thể dị hướng, như canxit và thạch anh, nhưng nó cũng có thể phát sinh từ những nhân tố khác, như trật tự cấu trúc, ứng suất vật lí, sự biến dạng, sự chảy qua một ống dẫn giới hạn, và sức căng Lưỡng chiết bản chất là thuật ngữ dùng để mô tả các chất xuất hiện tự nhiên có sự không đối xứng về chiết suất phụ thuộc theo hướng Những chất này bao gồm nhiều tinh thể dị hướng tự nhiên và tổng hợp, các khoáng vật, và các hóa chất

Lưỡng chiết cấu trúc là thuật ngữ dùng để chỉ nhiều chất dị hướng, gồm các

bộ phận phân tử vĩ mô sinh học như nhiễm sắc thể, sợi cơ, các vi ống, tinh thể lỏng ADN, và những cấu trúc protein có thớ như sợi tóc Không giống như nhiều dạng lưỡng chiết khác, lưỡng chiết cấu trúc thường nhạy với gradient chiết suất trong môi trường xung quanh Ngoài ra, nhiều chất tổng hợp cũng biểu hiện sự lưỡng chiết cấu trúc, gồm các loại sợi, polyme chuỗi dài, chất dẻo và composite

Lưỡng chiết ứng suất và sức căng xảy ra do các lực bên ngoài và/hoặc sự biến dạng tác dụng lên chất không lưỡng chiết tự nhiên Ví dụ là các màng và sợi bị kéo căng, thủy tinh biến dạng và thấu kính plastic, và các lớp polyme bị kéo căng Cuối cùng, lưỡng chiết dòng chảy có thể xảy ra do sự xếp hàng của chất như

polyme không đối xứng trở nên có trật tự trong sự có mặt của dòng chất lỏng Các

phân tử hình que và dạng đĩa, và các cơ cấu phân tử vĩ mô như phân tử nặng ADN

và chất tẩy rửa, thường được dùng như những ứng cử viên cho nghiên cứu sự lưỡng chiết dòng chảy

Tóm lại, lưỡng chiết là một hiện tượng biểu hiện bởi sự không đối xứng của các tính chất có thể là về bản chất quang học, điện học, cơ học, âm học, hoặc từ học Nhiều chất biểu hiện mức độ lưỡng chiết khác nhau, nhưng điều hấp dẫn nhất đối với với các nhà hiển vi quang học là những vật đó trong suốt và sẵn sàng quan sát được bằng ánh sáng phân cực