Hiện tượng lưỡng chiết pdf

Hiện tượng lưỡng chiết Các chất tinh thể trongsuốt thường được phânlàm hailoại định rõ bởi số trụcquangcó mặttrong mạngphân tử. Tinhthể một trục có một trụcquangvà gồm họ hàngđôngnhất của các chất lưỡng chiết phổ biến, như canxit, thạch anh, và các cấu trúc tổng hợphoặc sinhhọccó trật tự. Loại chủ yếu kialà tinh thể hai trục,chúng là những chất lưỡngchiết có hai trụcquangđộclập. Các đầusóng thường và bất thườngtrong tinh thể một trục trùng nhautạitrụcchậm hoặc trục nhanhcủa elipsoid tùythuộc vàosự phân bố chiết suất bêntrong tinh thể (minh họa trong hình 6).Hiệu quangtrình hoặc độ trễ tươngđối giữa cáctia này được xác định bởi sự trễ của mộtsóng phíasau sóngkia trongmặt đầu sóng nằm dọc theo hướng truyền. Trongtrường hợpmà các đầu sóng thường vàbất thường trùngnhautại trụcdài hoặc trục chínhcủa elipsoid,thì chiết suất mà sóng bất thườngchịu lớn hơnso với sóng thường(hình 6(b)).Tìnhhuống này được gọi là lưỡng chiết dương.Tuynhiên,nếucác đầu sóngthườngvàbất thường chồng lấn tại trụcchính của elipsoid(hình 6(a)), thì xảy ratình huống ngượclại. Trong thực tế, chiết suất mà qua đó sóng thường truyền vượtquá chiết suất của sóng bất thường,và chất đó được gọi là lưỡng chiết âm.Biểu đồ elipsoidliên hệ sự định hướng và độ lớn tương đối của chiết suất trong tinh thể được gọi là elipsoidchiết suất, và như minh họa trong hình 5và 6. Trở lại với tinhthể canxit biểudiễn trong hình2, tinh thể được minh họađó có trục quang nằm tại góc trênbêntrái. Khi đi vào tinh thể, sóngánh sáng thường bị khúc xạ mà không bị lệch khỏi góc tới bình thườngnhư thể nó truyềnqua một môitrường đẳng hướng. Cònsóngbất thườngbị lệch sang bên trái và truyền đi với vectơ điện trườngvuông góc với vectơ điện trườngcủa sóng thường.Vì canxit là tinhthể lưỡng chiết âm, nênsóng thường là sóng chậm và sóngbất thường là sóng nhanh. Các tinh thể lưỡng chiết trongkínhhiểnvi quanghọcphân cực Như đã đề cập ở phần trên, ánhsángbị khúc xạ kép qua tinh thể dị hướng bị phân cựccóhướng daođộngvectơ điện trườngcủa sóng thường và sóng bất thường địnhhướng vuông góc vớinhau. Hành trạng của các tinh thể dị hướng dướisự chiếu sáng phân cực trực giao trong kínhhiển viquanghọc bây giờ có thể xác định được. Hình 7 minhhọa một tinhthể lưỡng chiết (dị hướng) đặt giữahai bản phân cựccó hướng daođộng vuông góc vớinhau (và nằmtheo hướng chỉ bởi mũi tên hướngtới kí hiệu bản phâncực và bảnphân tích). Ánh sángtrắng khôngphân cực từ đènrọiđi vàobảnphân cựcở bên trái và bị phân cực thẳngvà địnhhướng theo hướng chỉ bởi mũi tên (sát bên kí hiệu bản phân cực) và được biểu diễn tùytiện bằng một sóng ánh sáng sin màu đỏ. Sau đó, ánh sáng phân cực đi vào tinhthể dị hướng (gắn trênbàn soi hiểnvi), ở đó nó bị khúcxạ và chia táchthành hai thành phần tách biệt daođộng song song với trục tinh thể và vuông gócvới nhau. Sóngánh sáng phân cực sau đó truyền quabản phân tích(cóhướng phân cực được chỉ bởi mũi tên kế bên kí hiệu bản phân tích), chỉ cho phép những thành phần sóngánh sáng songsong với trục truyền bảnphân tích đi qua.Độ trễ tương đối của tia nàyso với tia kia được biểu thị bằng một phươngtrình(chiều dày nhân với hiệu chiết suất) liên quantới sự daođộng tốcđộ giữatia thườngvà 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 xétđến tính chất của từng tinh thể một. Chất là tinhthể lưỡng chiết, giả sử có hình bốn cạnh,có một trục quang địnhhướng theo phươngsong song với trụcdài củatinh thể. Sự rọi sáng trong hình 8 biểu diễn tinh thể như nó sẽ xuất hiệntrongthị kính của kínhhiển vi dưới sự rọi sáng phân cực trực giao khi nó quayxung quanh trục quangkính hiển vi.Trongmỗi khungcủa hình8, trục của bản phân cực kính hiển vi đượcchỉ rõ bởi kí tự in hoa P và địnhhướngĐông-Tây (nằm ngang).Trục của bản phân tích kính hiển vi được chỉ bằng kí tự A định hướngBắc-Nam (thẳng đứng). Các trụcnàyvuông góc với nhauvà gây ravùng tối hoàn toànkhiquan sát qua thị kínhkhôngcó mẫu vậtnàotrên bàn soi hiển vi. Hình 8(a)minhhọa tinh thể dị hướng hình 4cạnh, lưỡng chiết ở tình trạng định hướng trong đó trục (quang) dài của tinhthể nằm songsong với trục truyền của bản phântích. Trong trườnghợp này, ánh sáng truyền quabảnphân tích, và rồi quatinhthể,dao độngtrongmặt phẳngsongsongvớihướngcủa bản phântích. Vì khôngcóánh sáng nào tới trên tinhthể bị khúc xạ thành sóng thường và sóng bất thườngphân kì, nên sóngánh sáng đẳng hướng truyền quatinh thể không tạo ra đượcdao động vectơ điện trong hướng chínhxác để truyền qua bản phântích và manglại hiệu ứng giao thoa (xemmũi tên nằm ngang tronghình8(a) và phần dướiđây). Kết quả là tinhthể rất tối,hầunhư khôngnhìn thấy đượctrênnền màu đen. Đối với nhiều kết quả rọi sáng,tinh thể mô tả trong hình8(a) không tắt hoàn toàn(như khi nó nằm giữa các bản phân cực trực giao) mà truyền quamột phần nhỏ ánh sáng đỏ,cho phép người đọc lưu ýđếnvị trí của tinhthể. Các nhà hiển vihọc kinhđiển thườnggọi sự định hướng nàylà vị trí dập tắt đối với tinh thể, nó đóng vaitrò quantrọng làmmột điểm thamchiếuđể xác định chiết suất củachấtdị hướng bằng kínhhiển viphân cực.Bằng cách gỡ bỏ bản phân tích trong kính hiển viphân cực trựcgíao,thì một hướngcho phép của daođộng sáng truyền quabản phân cực tươngtác với chỉ một thành phần điệntrongtinh thể lưỡng chiết. Kĩ thuậtđó cho phép sự chia tách của mộtchiết suất chophép đo. Sau đó, chiếtsuất còn lại củachất lưỡng chiết cóthể đo bằng cáchquaybản phân cực đi 90 độ. Tình huống rất khác đi trong hình 8(b),trongđó trục (quang) dài của tinh thể bây giờ nằm ở một góc xiên(a) so với trục truyềncủa bản phân cực,một tình huốngxảy raqua sự quay bản soikínhhiển vi. Trongtrườnghợp này, một phần ánh sáng đi tới trên tinh thể từ bản phâncực được truyền lênbản phân tích. Để nhậnđược ước tính định lượng của lượng ánh sángtruyền quabảnphân tích, một phép phân tích vectơ đơn giản có thể được áp dụng để giải quyết vấnđề này. Bước thứ nhất là xác định những đóng góp từ bản phân cực choo vàe (xemhình 8(b), các kí hiệu đại diện cho tia thường (o) và tia bất thường (e),chúngđã được nói tới trong phầntrước). Chiếu cácvectơ xuống trục của bản phân cực, và giả sử một giá trị 1 tùy ý chocả o và e, chúng tỉ lệ với cường độ thật sự củatia thường và tia bất thường. Những đóng góp từ bản phân cực cho o vàe đượcminh họa bằng các mũi tên màuđencó kí hiệu x vày trên trục bản phân cực (P)trong hình8(b). Những chiềudài này sau đó đượcđo lêncác vectơ o và e (minhhọa bằngcácmũi tên màu đỏ biểu diễn các vectơ),sauđó cộng lại tạo nên vectơ tổng hợp r’. Chiếu vectơ tổng lên trục bản phân tích (A) tạoragiá trị tuyệt đối R. Giátrị của R trên trục bản phân tích tỉ lệ với lượng ánh sángtruyềnqua bảnphân tích. Kết quả cho thấy mộtphần ánh sáng từ bản phân cựctruyền quabản phântích và tinhthể lưỡng chiếtbiểu hiện một số mức độ sáng ngời. Độ sáng cực đại đối với chất lưỡng chiết quansát thấy khitrục (quang)dài của tinhthể định hướnghợp góc45 độ so với cả bản phân cực và bản phân tích, như minh họatrong hình8(c). Chiếu vectơ ovà e xuống trục bản phân cực(P)xác định nhữngđóng góp từ bản phân cực cho nhữngvectơ này. Khi nhữnghình chiếu này được đolên vectơ, vectơ tổng có thể xác định bằng cách hoàn chỉnhmột tam giác đến trục của bản phântích (A).Kĩ thuật vừa mô tả sẽ chỉ hoạt độngđốivới sự định hướng của bất kì tinh thể nào so với trục bản phâncực và bản phân tích,vì o và e luôn luôn vuônggóc với nhau,chỉ có sự chênh lệch về định hướng của o vàe so với trụctinh thể mà thôi. Khi các tia thường và bất thườngló ra khỏi tinh thể lưỡng chiết, chúng vẫn dao độngvuông góc với nhau. Tuy nhiên, các thànhphần của nhữngsóng này truyền quabản phân tích đangdaođộngtrongcùng một mặt phẳng(như minhhọa trong hình8). Vì sóng này trễ so với sóngkia, nên giaothoa (tăng cường hoặc triệt tiêu)xảy ra giữa cácsóngkhichúng truyền quabản phân tích. Kết quả chung cuộc là một số chất lưỡng chiếtcó được một phổ màu sắc khi quansát trong ánh sáng trắngqua các bảnphân cực trực giao. Phân tích định lượng màusắc giao thoa quansát thấy ở vật lưỡngchiết thường đượcthựchiện bằng cách tham khảo biểu đồ Michel-Levy giống như biểu đồ minh họa trong hình9. Như đã rõ ràng từ biểu đồ này,các màu phân cựcđược hình dung trong kính hiển vi vàghi lên phimhoặcchụp kĩ thuật số có thể tương quan với độ trễ thực tế,chiều dày, và độ lưỡng chiếtcủa vật. Biểu đồ tương đối dễ sử dụng với các vậtlưỡngchiết nếu haitrongsố ba biến yêu cầu đã được biết. Khi vật được đặt giữa cácbản phân cực trực giaotrong kínhhiển vivà quayđến vị trí có độ sáng cực đại bằng bấtkì một trong số nhiều đĩatrễ đa dạng,thì màu sắchình dungđược trong thị kính cóthể cho biết trụctrễ để tìm sự chênh lệchbướcsóng giữacác sóng thườngvà bất thường truyền qua vật.Bằng cách đo chiết suất của vật dị hướng và tínhđộ chênh lệch (lưỡngchiết) của chúng, thì màu sắc giaothoa có thể được xác định từ các giá trị lưỡngchiết dọc theo phần trên của biểu đồ. Bằng cách ngoại suycác đường xiêngóc trở lại trụctung, thì có thể ước tínhđược chiềudày của vật. Phần phía dướicủa biểu đồ Michel-Levy(trụcx) đánhdấu các bậc trễ theo bội của gần 550nanomét.Khu vựcgiữa0 và550nm đượcgọi làbậc1 của màu sắc phân cực, và màu đỏ tươi xuất hiệntrongvùng550nmthường được gọi là màu đỏ bậc 1. Các màunằm giữa 550và1000nmđượcgọi là cácmàu bậc 2, vàcứ thế tiếp tục trong biểu đồ.Màu đentại nơi bắt đầu củabiểu đồ gọi là màu đen bậc0. Nhiều biểuđồ Michel-Levy introng cácsách giáokhoa vẽ các màu bậc cao lên tới bậc 5 hoặc bậc6. Khu vực nhạy cảm nhất của biểu đồ là màu đỏ bậc 1 (550nm), vìchỉ một sự thayđổi nhỏ trong độ trễ đã làm chomàu sắc lệchđột ngột lênvùngbước sónglục lam hoặc xuốngmàuvàng.Nhiều nhà chế tạo kính hiển viđã khaithác sự nhạy này bằngcáchcung cấp một đĩa trễ toàn sóng hoặc bộ phận bù màu đỏ bậc 1vớikính hiển viphân cực của họ để hỗ trợ các nhà khoahọctrong việcxác định cáctính chất của chất lưỡngchiết. Phân loại sự lưỡng chiết Mặcdù lưỡng chiết là mộttính chất cố hữu củanhiều tinhthể dị hướng, như canxitvà thạch anh,nhưng nó cũngcó thể phát sinhtừ những nhân tố khác, như trật tự cấu trúc, ứng suấtvật lí,sự biến dạng,sự chảy quamột ống dẫn giới hạn, và sức căng.Lưỡng chiết bản chất là thuật ngữ dùng để mô tả các chất xuất hiện tự nhiêncó sự khôngđối xứngvề chiết suất phụ thuộc theo hướng. Nhữngchấtnày bao gồm nhiều tinh thể dị hướng tự nhiên và tổng hợp, các khoáng vật, và các hóa chất. Lưỡngchiết cấu trúclà thuật ngữ dùngđể chỉ nhiều chất dị hướng,gồm các bộ phận phântử vĩ môsinh họcnhư nhiễm sắcthể, sợi cơ,các viống, tinh thể lỏng ADN, và nhữngcấutrúc proteincó thớ như sợi tóc. Không giống như nhiều dạng lưỡng chiếtkhác, lưỡngchiết cấu trúc thường nhạy với gradientchiết suất trong môitrường xungquanh.Ngoàira, nhiều chất tổnghợp cũngbiểu hiện sự lưỡng chiết cấu trúc, gồm cácloại sợi, polymechuỗi dài, chất dẻo và composite. Lưỡngchiết ứngsuất vàsức căng xảy ra docác lực bênngoài và/hoặc sự biến dạng tácdụnglên chất khônglưỡngchiết tự nhiên.Ví dụ là các màng và sợi bị kéo căng, thủytinh biến dạng và thấu kínhplastic,vàcáclớp polyme bị kéo căng. Cuối cùng, lưỡngchiết dòng chảy có thể xảy ra do sự xếp hàng của chất như polyme không đối xứngtrở nên có trật tự trong sự có mặtcủa dòngchất lỏng. Các phân tử hình quevà dạngđĩa,và các cơ cấu phân tử vĩ mô như phân tử nặng ADN và chất tẩy rửa, thường đượcdùng như nhữngứng cử viêncho nghiên cứu sự lưỡng chiếtdòng chảy. Tóm lại, lưỡngchiết là một hiện tượngbiểu hiện bởi sự khôngđối xứngcủa các tính chất cóthể là về bản chất quanghọc, điệnhọc, cơ học, âm học, hoặc từ học. Nhiều chất biểu hiện mức độ lưỡngchiếtkhácnhau,nhưng điều hấp dẫn nhất đối với với các nhàhiểnvi quanghọclà những vật đó trong suốtvà sẵn sàng quan sát được bằng ánhsáng phân cực. . giống như nhiều dạng lưỡng chiếtkhác, lưỡngchiết cấu trúc thường nhạy với gradientchiết suất trong môitrường xungquanh.Ngoàira, nhiều chất tổnghợp cũngbiểu hiện sự lưỡng chiết cấu trúc, gồm cácloại. tẩy rửa, thường đượcdùng như nhữngứng cử viêncho nghiên cứu sự lưỡng chiếtdòng chảy. Tóm lại, lưỡngchiết là một hiện tượngbiểu hiện bởi sự khôngđối xứngcủa các tính chất cóthể là về bản chất. chỉ một thành phần điệntrongtinh thể lưỡng chiết. Kĩ thuậtđó cho phép sự chia tách của mộtchiết suất chophép đo. Sau đó, chiếtsuất còn lại củachất lưỡng chiết cóthể đo bằng cáchquaybản phân cực