NHỮNG TÍNH CHẤT VẬT LÝ THÔNG THƯỜNG CỦA TINH THỂ VÀ MỐI LIÊN QUAN GIỮA CHÚNG VỚI TÍNH CHẤT ĐỐI XỨNG HOẶC CẤU TRÚC CỦA TINH THỂ

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ -—&– - BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: VẬT LÍ TINH THỂ CHƯƠNG NHỮNG TÍNH CHẤT VẬT LÝ THÔNG THƯỜNG CỦA TINH THỂ VÀ MỐI LIÊN QUAN GIỮA CHÚNG VỚI TÍNH CHẤT ĐỐI XỨNG HOẶC CẤU TRÚC CỦA TINH THỂ \ Giảng viên hướng dẫn Học viên thực PGS TS Trương Minh Đức Trần Thị Thanh Bình Nguyễn Cao Trúc Giang Hoàng Thị Huyền Lê Thị Diễm My Châu Thị Bích Ngọc Nguyễn Thị Nụ Nguyễn Thị Minh Trâm Huế, tháng năm 2016 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Tính chất vật lý tính chất quan trọng vật thể Với trình nghiên cứu lâu dài, nhà khoa học tìm hệ thống mối liên hệ tính chất vật lý cấu trúc tính đối xứng tinh thể Mỗi cấu trúc tinh thể thể tính chất vật lý mức độ riêng Khi nghiên cứu vật liệu mới, người ta dựa vào tính chất vật lý mà thể bên để đoán biết cấu trúc bên Từ xa xưa, người tìm khoáng vật, họ mong muốn sử dụng chúng vào việc làm lợi cho Điều có nghĩa họ cần phải hiểu rõ cấu trúc tính chất vật lý, hóa học chúng Vậy nên, muốn sử dụng vật thể tự nhiên vào chế tạo dụng cụ thực tế nào, người bỏ qua hay xem thường tính chất vật lý chúng Các tính chất vật lý thông thường tinh thể có liên quan đến tính đối xứng cấu trúc tinh thể tính cát khai, độ cứng, tính dẫn nhiệt, tính áp điện, hỏa điện, sắt điện quang tính Bài tiểu luân trình bày tính chất trên, mối liên quan chúng với tính đối xứng cấu trúc tinh thể số ứng dụng cụ thể NỘI DUNG 1.1 Tính cát khai hay tính dễ tách tinh thể 1.1.1 Định nghĩa Tính cát khai tinh thể khả vỡ hay tách theo mặt tác dụng lực học (cát khai miêu tả cách thức mà tinh thể bị tách dọc theo mặt phẳng khác tác dụng lực học.) 1.1.2 Phân loại Tùy theo mức độ dễ tách độ nhẵn mặt cát khai người ta phân làm loại: - Cát khai hoàn toàn: khoáng vật dễ bị tách theo phương định thành lớp mỏng Ví dụ: mica, clorite - Cát khai hoàn toàn: lấy búa đập nhẹ lên khoáng vật, chúng bị tách mảnh nhỏ giống tinh thể mẹ, mặt cát khai tương đối nhẵn Ví dụ: galen, canxit - Cát khai trung bình: bị tác dụng lực khó tách thành mặt phẳng định Trên mặt mảnh vụn khoáng vật vừa thấy có mặt cát khai vừa thấy có vết vỡ, mặt cát khai không liên tục Ví dụ: pyroxen, amphibon - Cát khai không hoàn toàn: khó nhìn thấy mặt cát khai, đại phận vết vỡ Ví dụ: Ôlivin, cassiterite - Cát khai không hoàn toàn (không cát khai): thực tế cát khai, trường hợp đặc biệt phát mặt cát khai Ví dụ: thạch anh Tính bóc tách nhìn thấy đường thẳng song song nhỏ dọc theo tinh thể Một số ví dụ khoáng vật: - Mica: tên gọi chung cho khoáng vật dạng thuộc nhóm silicat lớp bao gồm loại vật liệu có mối liên kết chặt chẽ, có tính cát khai hoàn toàn Tất chúng có cấu trúc tinh thể thuộc hệ phương có xu hướng tinh thể giả hệ sáu phương có thành phần hóa học tương tự Tính cát khai cao tính chất đặc trưng mica, điều giải thích xếp nguyên tử dạng lục giác chồng lên Hình 4.1.1 Hình ảnh thực cấu trúc tinh thể mica - Canxit (CaCO3): Cát khai hoàn hảo mặt [10 1] theo hướng với góc 74° 55 Hình 4.1.2 Hình ảnh thực cấu trúc tinh thể canxit - Pyrôxen: nhóm khoáng vật quan trọng Nó thành phần nhiều loại đá tạo thành nhiệt độ cao Ðó silicat có thành phần khác đáng kể nhu điôpsit, enstatit Hình 4.1.3 Hình ảnh thực cấu trúc tinh thể pyroxen - Ôlivin: [Mg,Fe]2SiO4 nhúm nesosilicat phổ biến, đá magma nhiệt độ cao.Nguyên tử oxy nesosilicat xếp chặt theo luật sáu phương … ABABAB… theo hướng [100]; khiến cho olivin có tỉ trọng độ cứng tương đối cao, có cát khai (010) (100) Hình 4.1.4 Hình ảnh thực cấu trúc tinh thể ôlivin - Thạch anh: Silicat SiO2 a) Hình 4.1.5 Hình ảnh thực thạch anh a) cấu trúc tinh thể thạch anh nhiệt độ cao b) nhiệt độ thấp c) 1.1.3 Đặc điểm Tinh thể chất bị tách theo mặt mica, thạch cao ; theo mặt amfibol, pyrôxen ; theo mặt halit, canxit Mức độ cát khai theo mặt khác khác Khả cát khai có quan hệ chặt chẽ với đặc điểm cấu trúc tinh thể Bravais người cắt nghĩa tuợng Phát triển lý thuyết mạng tinh thể, ông giả thiết mặt cát khai thường song song với mặt mạng có mật độ hạt lớn nhất, mặt mạng thường cách khoảng lớn Ta thấy grafit có tính cát khai theo lớp Tương tự grafit, đơn chất có kiểu xếp cầu lục phương với tỉ số thông số c/a = 1,633 thường có tính cát khai theo mặt đáy (001) Hình 4.1.6 Tinh thể graphit cát khai theo mặt đáy (001) Tuy nhiên cách giải thích giản đơn cho tượng cát khai không với trường hợp phức tạp graphit Ví dụ: số mạng sáu phương magnesi kim loại là: a=3,20, c = 5,20Å, c/a =1,62 Nếu nguyên tử magnesi phân bố theo nút mạng, theo giả thuyết Bravais ta có cát khai theo mặt đáy Tuy nhiên, magnesi kim loại cát khai Nguyên tử xắp xếp theo cách chồng khít cầu kiểu sáu phương với tỉ lệ gần với tỉ số lí tưởng c/a 1,633 Điều có nghĩa dị thường khoảng cách nguyên tử cấu trúc magnesi kim loại khả cát khai theo mặt đáy Hình 4.1.7 Cấu trúc kim loại Berili Cadimi với tỷ số c/a 1,57 1,89 so với 1,63 luật xếp cầu sáu phương lý tưởng Ðể cắt nghĩa tính cát khai cách trọn vẹn phải lưu ý dến lực liên kết hóa học tinh thể thực Vulf nguời nhận thấy diều Ví dụ: Kim cương sfalerit có cấu trúc mạng lập phương tương tự chúng cát khai theo mặt khác Sfalerit cát khai theo (110); kim cương theo (111) Hình 4.1.8 Tinh thể dạng kim cương (100) (110) (111) Hình 4.1.9 Các mặt (100), (110), (111) tinh thể lập phương; loại ion nguyên tử mặt sphalerit kim cương Ở sphalerit họ mặt {111} chứa loại ion Zn 2+ S2- mặt mạng cách xa chúng gắn với lực hút điện tích trái dấu Lực liên kết lớn chúng khiến cho sphalerit cát khai theo hướng Trong theo {110} mặt mạng chứa đồng thời loại ion nên bão hoà điện tích, mặt liên kết với yếu nằm gần Vì thế, sphalerit xuất cát khai song song với mặt {110} Hình 4.1.10 Cát khai theo mặt (111) kim cương (a) mặt (110) sphalerit (b) mặt nước yên tĩnh, thủy tinh, plastic, đường xa lộ Trong thí dụ này, sóng ánh sáng có vectơ điện trường song song với bề mặt chất bị phản xạ mức độ cao so với sóng ánh sáng có định hướng khác Tính chất quang học bề mặt cách điện xác định lượng xác ánh sáng phản xạ bị phân cực Những gương phân cực tốt, nhiều chất liệu suốt vai trò phân cực tốt, góc ánh sáng tới nằm giới hạn định Một tính chất quan trọng ánh sáng phân cực phản xạ độ phân cực phụ thuộc vào góc tới ánh sáng, với lượng phân cực tăng quan sát thấy góc tới giảm Khi xét tác động ánh sáng không phân cực lên bề mặt cách điện phẳng, có góc mà sóng ánh sáng phản xạ bị phân cực hoàn toàn vào mặt phẳng Góc thường gọi góc Brewster, dễ dàng tính phương trình sau chùm ánh sáng truyền qua không khí: n = sin(θi)/sin(θr) = sin(θi)/sin(θ90-i) = tan(θi) n chiết suất môi trường mà từ ánh sáng bị phản xạ, θ(i) góc tới, θ(r) góc khúc xạ Bằng việc giải phương trình, người ta thấy rõ chiết suất chất chưa biết xác định từ góc Brewster Đặc điểm đặc biệt hữu ích trường hợp chất mờ đục có hệ số hấp thụ cao ánh sáng truyền qua, áp dụng công thức định luật Snew quen thuộc Việc xác định lượng phân cực kĩ thuật phản xạ làm dịu tìm kiếm trục phân cực phim phân cực không đánh dấu 36 Nguyên lí góc Brewster minh họa hình tia sáng phản xạ từ bề mặt phẳng môi trường suốt có chiết suất lớn không khí Tia tới vẽ với hai mặt phẳng dao động vectơ điện, dùng để miêu tả ánh sáng có dao động mặt phẳng vuông góc với hướng truyền Khi chùm tia tới bề mặt góc tới hạn (góc Brewster, kí hiệu θ hình 3), độ phân cực tia phản xạ 100%, với định hướng vectơ điện nằm vuông góc với mặt phẳng tới song song với bề mặt phản xạ Mặt phẳng tới định nghĩa sóng tới, sóng khúc xạ, sóng phản xạ Tia khúc xạ hợp góc 90 độ với tia phản xạ bị phân cực phần Đối với nước (chiết suất 1,333), thủy tinh (chiết suất 1,515) kim cương (chiết suất 2,417), góc tới hạn (Brewster) tương ứng 53, 57 67,5 độ Ánh sáng phản xạ từ bề mặt đường xa lộ góc Brewster thường tạo ánh chói khó chịu làm người lái xe xao lãng, chứng minh cách dễ dàng cách quan sát phần xa xa lộ mặt nước hồ bơi vào ngày nắng nóng Các laser đại thường khai thác lợi góc Brewster để tạo ánh sáng phân cực thẳng từ phản xạ bề mặt gương đặt hai đầu hộp laser Như nói phần trên, phản xạ rực rỡ xuất phát từ bề mặt nằm ngang, ví dụ xa lộ nước hồ, bị phân cực phần với vectơ điện trường dao động theo hướng song song với mặt đất Ánh sáng bị chặn lại lọc phân cực định theo hướng thẳng đứng, minh họa hình 4, với cặp kính râm phân cực Các thấu kính cặp kính có lọc phân cực định theo hướng thẳng đứng cấu trúc kính Trong hình, sóng ánh sáng màu xanh có vectơ điện trường chúng định theo hướng thấu kính phân cực và, vậy, truyền qua Trái lại, sóng ánh sáng màu đỏ định hướng dao động vuông góc với định hướng lọc bị chặn lại thấu kính Kính râm phân cực có ích lái xe nắng chói chang bờ biển ánh sáng Mặt Trời bị phản xạ từ bề mặt đường mặt nước, dẫn tới ánh chói làm ta gần không thấy Các lọc phân cực có ích nhiếp ảnh, chúng gắn phía trước thấu kính camera để làm giảm ánh chói làm tăng độ tương phản ảnh toàn thể hình chụp ảnh kĩ thuật số Các phân cực dùng camera thường thiết kế có vòng lắp cho phép 37 chúng quay sử dụng để thu hiệu ứng mong đợi điều kiện chiếu sáng khác Một lọc phân cực chế tạo vào đầu kỉ 19 nhà khoa học người Pháp Francis Arago, nhà nghiên cứu tích cực tìm hiểu chất ánh sáng phân cực Arago nghiên cứu phân cực ánh sáng phát từ nguồn khác bầu trời nêu lí thuyết tiên đoán vận tốc ánh sáng phải giảm truyền vào môi trường đậm đặc Ông làm việc với Augustin Fresnel nghiên cứu giao thoa ánh sáng phân cực phát thấy hai chùm ánh sáng phân cực với định hướng dao động chúng vuông góc không chịu giao thoa Các lọc phân cực Arago, thiết kế chế tạo năm 1812, chế tạo từ nhiều thủy tinh ép sát vào Đa phần chất phân cực sử dụng ngày có nguồn gốc từ màng tổng hợp tiến sĩ Erwin H.Land phát minh năm 1932, sớm vượt qua tất chất khác làm môi trường chọn dùng để tạo ánh sáng phân cực phẳng Để chế tạo màng này, tinh thể iodoquinine sulfate nhỏ xíu, định theo hướng, gắn vào màng trùng hợp suốt để ngăn chặn di trú định hướng lại tinh thể Land chế tạo chứa màng phân cực thương mại hóa tên Polaroid (tên thương phẩm đăng kí), trở thành thuật ngữ chấp nhận rộng rãi Bất dụng cụ có khả lọc ánh sáng phân cực phẳng từ ánh sáng trắng tự nhiên (không phân cực) ngày gọi phân cực, tên đưa lần vào năm 1948 A.F Hallimond Vì lọc có khả truyền chọn lọc tia 38 sáng, phụ thuộc vào định hướng chúng trục phân cực, nên chúng biểu dạng lưỡng sắc, thường gọi lọc lưỡng sắc Kính hiển vi ánh sáng phân cực lần nêu vào kỉ 19, thay sử dụng chất phân cực truyền qua, ánh sáng phân cực phản xạ từ chồng đĩa thủy tinh đặt hợp góc 57 độ so với mặt phẳng tới Sau đó, thiết bị tiên tiến dựa tinh thể chất khúc xạ kép (như canxit) cắt theo kiểu đặc biệt hàn với tạo thành lăng kính Một chùm ánh sáng trắng không phân cực vào tinh thể loại bị tách thành hai thành phần phân cực theo hướng vuông góc với (trực giao) Một hai tia sáng ló khỏi tinh thể lưỡng chiết gọi tia thường, tia gọi tia bất thường Tia thường bị khúc xạ mức độ cao lực tĩnh điện tinh thể chạm tới bề mặt hàn góc tới hạn phản xạ nội toàn phần Kết tia bị phản xạ khỏi lăng kính bị loại trừ hấp thụ mép thiết bị Tia bất thường truyền qua lăng kính ló dạng chùm ánh sáng phân cực thẳng truyền thẳng tới tụ sáng mẫu vật (đặt bàn soi hiển vi) Một số mẫu dụng cụ phân cực sở lăng kính bày bán rộng rãi chúng thường đặt theo tên nhà chế tạo chúng Lăng kính phân cực phổ biến (minh họa hình 5) đặt theo tên William Nicol, người chẻ hàn hai tinh thể spar Iceland với nhựa Canada vào năm 1829 Lăng kính Nicol lần sử dụng để đo góc phân cực hỗn hợp lưỡng chiết, mang đến phát triển việc tìm hiểu tương tác ánh sáng phân cực chất kết tinh 39 Hình minh họa cấu trúc lăng kính Nicol điển hình Một tinh thể chất khúc xạ kép (lưỡng chiết), thường canxit, cắt dọc theo mặt phẳng đánh dấu a-b-c-d hai nửa sau hàn lại với nhau, tạo hình dạng tinh thể ban đầu Một chùm ánh sáng trắng không phân cực vào tinh thể từ phía bên trái tách thành hai thành phần bị phân cực theo hướng vuông góc với Một hai chùm (gọi tia thường) bị khúc xạ mức độ lớn chạm tới ranh giới hàn góc mà kết bị phản xạ toàn khỏi lăng kính qua mặt tinh thể Còn chùm (tia bất thường) bị khúc xạ mức độ truyền qua lăng kính, dạng chùm ánh sáng phân cực phẳng Những cấu lăng kính khác đề xuất chế tạo kỉ 19 đầu kỉ 20, chúng không sử dụng để tạo ánh sáng phân cực ứng dụng đại Lăng kính Nicol đắt kềnh càng, có độ hạn chế, nên công dụng chúng giới hạn phóng đại cao Thay vậy, ngày ánh sáng phân cực tạo phổ biến hấp thụ ánh sáng có tập hợp hướng dao động định môi trường lọc (ví dụ phân cực), trục truyền lọc vuông góc với định hướng polymer tuyến tính tinh thể có chứa chất phân cực Trong phân cực đại, sóng ánh sáng tới có dao động vectơ điện trường song song với trục tinh thể phân cực bị hấp thụ Nhiều sóng số sóng tới có định hướng vectơ xiên góc, không vuông góc với trục tinh thể, bị hấp thụ phần Mức độ hấp thụ sóng ánh sáng xiên phụ thuộc vào góc dao động mà chúng chạm tới phân cực Những tia có góc gần song song với trục tinh thể bị hấp thụ nhiều so với tia có góc gần vuông góc Các lọc Palaroid phổ biến (gọi sêri H) truyền qua khoảng 25% chùm ánh sáng tới, mức độ phân cực tia truyền qua vượt 99% Một số ứng dụng, kính hiển vi ánh sáng phân cực, dựa phân cực vuông góc để xác định chất khúc xạ kép lưỡng chiết Khi hai phân cực đặt vuông góc nhau, trục truyền chúng định hướng vuông góc ánh sáng truyền qua phân cực thứ hoàn toàn bị dập tắt, bị hấp thụ, phân cực thứ hai, thường gọi phân tích Lượng ánh sáng 40 hấp thụ lọc phân cực lưỡng sắc xác định xác ánh sáng ngẫu nhiên bị dập tắt phân cực dùng cặp bắt chéo, thường gọi hệ số dập tắt phân cực Về mặt định lượng, hệ số dập tắt xác định tỉ số ánh sáng truyền qua cặp phân cực trục truyền chúng định hướng song song lượng ánh sáng truyền qua đặt chúng vuông góc với Nói chung, hệ số dập tắt từ 10.000 đến 100.000 để tạo đen thẳm mẫu vật lưỡng chiết dễ quan sát (và tương phản) kính hiển vi quang học phân cực Lượng ánh sáng truyền qua cặp phân cực chất lượng cao bắt chéo xác định định hướng phân tích phân cực Khi phân cực định hướng vuông góc nhau, chúng biểu mức dập tắt cực đại Tuy nhiên, góc khác, mức độ dập tắt thay đổi minh họa biểu đồ vectơ hình Bản phân tích dùng để điểu chỉnh lượng ánh sáng truyền qua cặp bắt chéo, quay đường tia sáng biên độ khác ánh sáng phân cực truyền qua Trong hình 6a, phân cực phân tích có trục truyền song song vectơ điện ánh sáng truyền qua phân cực phân tích có độ lớn song song với Quay trục truyển phân tích 30 độ so với trục truyền phân cực làm giảm biên độ sóng ánh sáng truyền qua cặp bản, minh họa hình 41 6b Trong trường hợp này, ánh sáng phân cực truyền qua phân cực phân tích thành thành phần nằm ngang thẳng đứng toán học vectơ để xác định biên độ ánh sáng phân cực truyền qua phân tích Biên độ tia truyền qua phân tích với thành phần vectơ đứng (minh họa mũi tên màu vàng hình 6b) Tiếp tục quay trục truyền phân tích đến góc 60 so với trục truyền phân cực, làm giảm biên độ thành phần vectơ truyền qua phân tích (hình 6c) Khi phân tích phân cực hoàn toàn chéo góc (góc 90 độ) thành phần thẳng đứng trở nên không đáng kể (hình 6d) phân cực thu giá trị dập tắt cực đại chúng Lượng ánh sáng truyền qua cặp phân cực mô tả định lượng cách áp dụng định luật bình phương cosin Malus, hàm góc trục truyền phân cực: I = I (o) cos2 θ I cường độ ánh sáng truyền qua phân tích (và toàn lượng ánh sáng truyền qua cặp phân cực chéo góc), I(o) cường độ ánh sáng tới phân cực, q góc trục truyền phân cực phân tích Bằng việc giải phương trình, xác định hai phân cực chéo góc (θ = 90 độ) cường độ không Trong trường hợp này, ánh sáng truyền qua phân cực bị dập tắt hoàn toàn phân tích Khi phân cực xiên góc 30 60 độ, ánh sáng truyền qua phân tích giảm tương ứng 25% 75% 2.5.3 Sự phân cực ánh sáng tán xạ Các phân tử chất khí nước bầu khí làm tán xạ ánh sáng từ Mặt Trời theo hướng, hiệu ứng gây bầu trời xanh, đám mây trắng, hoàng hôn đỏ rực, tượng gọi phân cực khí Lượng ánh sáng tán xạ (gọi tán xạ Rayleigh) phụ thuộc vào kích thước phân tử (hydrogen, oxygen, nước) bước sóng ánh sáng, chứng minh huân tước Rayleigh hồi năm 1871 Những bước sóng dài, đỏ, cam, vàng không bị tán xạ nhiều bước sóng ngắn, tím xanh dương 42 Sự phân cực khí kết trực tiếp tán xạ Rayleigh ánh sáng Mặt Trời phân tử khí Lúc va chạm photon đến từ Mặt Trời phân tử chất khí, điện trường từ photon giảm dao động tái xạ ánh sáng phân cực từ phân tử (minh họa hình 7) Ánh sáng phát xạ bị tán xạ theo hướng vuông góc với hướng truyền ánh sáng Mặt Trời, bị phân cực dọc, ngang, phụ thuộc vào hướng tán xạ Đa phần ánh sáng phân cực chạm đến Trái Đất bị phân cực ngang (trên 50%), thật xác nhận cách quan sát bầu trời qua lọc Polaroid Có báo cáo cho biết số loài côn trùng động vật định có khả phát ánh sáng phân cực, gồm loài kiến, ruồi, số loài cá, danh sách loài thật dài nhiều Ví dụ, số loài côn trùng (chủ yếu ong mật) cho sử dụng ánh sáng phân cực để định vị mục tiêu chúng Nhiều người tin có số cá nhân nhạy cảm với ánh sáng phân cực quan sát thấy đường chân trời màu vàng chồng lên trời xanh nhìn chằm chằm theo hướng vuông góc với hướng Mặt Trời (một tượng gọi chổi Haidinger) Các protein sắc tố vàng, gọi macula lutea, tinh thể lưỡng sắc cư trú hố mắt người, biết cho phép người ta nhìn thấy ánh sáng phân cực 43 *Ánh sáng phân cực elip phân cực tròn Trong ánh sáng phân cực thẳng, vectơ điện trường dao động theo hướng vuông góc với hướng truyền sáng, nói Các nguồn sáng tự nhiên, ánh sáng Mặt Trời, nguồn sáng nhân tạo, gồm ánh sáng đèn nóng sáng đèn huỳnh quang, phát ánh sáng có vectơ điện định hướng ngẫu nhiên không gian thời gian Ánh sáng thuộc loại gọi không phân cực Ngoài ra, tồn vài trạng thái ánh sáng phân cực elip nằm phân cực thẳng không phân cực, vectơ điện trường có hình dạng elip mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng ánh sáng Sự phân cực elip, không giống ánh sáng phân cực phẳng không phân cực, có “cảm giác” quay theo hướng quay vectơ điện xung quanh trục truyền (tới) chùm tia sáng Khi nhìn từ phía sau lại, hướng phân cực xoay sang trái xoay sang phải, tính chất gọi độc khuynh phân cực elip Sự quét vectơ xoay theo chiều kim đồng hồ cho phân cực phải (thuận), quét vectơ xoay ngược chiều kim đồng hồ phân cực trái (nghịch) Trong trường hợp mà trục trục vectơ phụ elip phân cực nhau, sóng ánh sáng rơi vào loại ánh sáng phân cực tròn, phân cực trái phải Một trường hợp thường xảy trục thành phần vectơ điện ánh sáng phân cực elip tiến tới không, ánh sáng trở nên phân cực thẳng Mặc dù kiểu phân cực thu phòng thí nghiệm với thiết bị quang học thích hợp, chúng xảy ánh sáng tự nhiên không phân cực Sóng ánh sáng thường bất thường phát chùm ánh sáng truyền qua tinh thể lưỡng chiết có vectơ điện phân cực phẳng vuông góc với Ngoài ra, giao thoa tương tác điện tử mà thành phần trải qua hành trình qua tinh thể, thường xuất lệch pha hai sóng Mặc dù sóng thường sóng bất thường theo quỹ đạo độc lập tách xa tinh thể canxit mô tả phần trên, trường hợp phổ biến chất kết tinh có trục quang vuông góc với mặt phẳng chiếu sáng tới 44 Một loại chất đặc biệt, gọi đĩa bù đĩa trễ, có ích việc tạo ánh sáng phân cực elip phân cực tròn cho số ứng dụng, kính hiển vi quang học phân cực Những chất lưỡng chiết chọn vì, trục quang chúng đặt vuông góc với chùm tia sáng tới, tia sáng thường bất thường theo quỹ đạo giống hệt biểu lệch pha phụ thuộc vào mức độ lưỡng chiết Vì cặp sóng trực giao bị chồng chất, nên xem sóng có thành phần vectơ điện vuông góc với cách chênh lệch nhỏ pha Khi vectơ kết hợp cách cộng lại đơn giản không gian ba chiều, sóng thu trở thành bị phân cực elip Ý tưởng minh họa hình 8, vectơ điện tổng hợp không dao động mặt phẳng, mà quay dần xung quanh trục truyền sóng ánh sáng, quét thành quỹ đạo elip xuất dạng đường xoắn ốc sóng nhìn từ góc Độ lớn lệch pha sóng thường sóng bất thường (có biên độ) xác định vectơ quét thành elip hay đường tròn sóng nhìn từ phía sau hướng truyền sóng Nếu độ lệch pha 1/4 3/4 bước sóng, vectơ tổng hợp vẽ nên xoắn ốc tròn Tuy nhiên, độ lệch pha 1/2 nguyên bước sóng tạo ánh sáng phân cực thẳng, tất độ lệch pha khác quét nên hình dáng khác elip Khi sóng thường sóng bất thường khỏi tinh thể lưỡng chiết, chúng dao động mặt phẳng vuông góc có cường độ tổng hợp tổng cường độ thành phần chúng Do sóng phân cực có vectơ điện dao động mặt phẳng vuông góc, nên sóng có khả chịu giao thoa Thực tế 45 có hệ khả sử dụng chất lưỡng chiết tạo hình ảnh Giao thoa xảy vectơ điện hai sóng dao động mặt phẳng suốt trình giao để tạo thay đổi biên độ sóng tổng hợp (một yêu cầu tạo ảnh) Do đó, vật suốt lưỡng chiết không nhìn thấy được, trừ chúng xác định phân cực chéo nhau, truyền qua thành phần sóng phân cực elip phân cực tròn song song với phân cực gần người quan sát Những thành phần tạo dao động biên độ gây độ tương phản ló khỏi phân cực dạng ánh sáng phân cực thẳng *Ứng dụng ánh sáng phân cực Một ứng dụng thông dụng thực tế phân cực hiển thị tinh thể lỏng (LCD) dùng hàng loạt dụng cụ đồng hồ đeo tay, hình máy tính, đồng hồ bấm giờ, đồng hồ treo tường nhiều vật dụng khác Các hệ hiển thị dựa tương tác phân tử kết tinh chất lỏng dạng que với điện trường sóng ánh sáng phân cực Pha tinh thể lỏng tồn trạng thái gọi cholesteric, phân tử định hướng thành lớp, lớp xoắn chút để tạo hình dạng xoắn ốc (hình 9) Khi sóng ánh sáng phân cực tương tác với pha tinh thể lỏng, sóng bị “xoắn lại” góc gần 90 độ so với sóng tới Độ lớn xác góc hàm mũ pha tinh thể lỏng cholesteric, phụ thuộc vào thành phần hóa học phân tử (có thể điều chỉnh tinh tế thay đổi nhỏ cấu trúc phân tử) 46 Một ví dụ lí thú ứng dụng tinh thể lỏng với dụng cụ hiển thị tìm thấy hiển thị số tinh thể lỏng đoạn (minh họa hình 9) Ở đây, pha tinh thể lỏng nằm kẹp hai đĩa thủy tinh có gắn điện cực, tương tự miêu tả hình Trong hình 9, đĩa thủy tinh định hình với điện cực màu đen tích điện riêng rẽ (những điện cực suốt ánh sáng dụng cụ thực) Ánh sáng truyền qua phân cực bị phân cực theo chiều đứng và, dòng điện áp vào điện cực, pha tinh thể lỏng gây góc “xoắn” 90 độ ánh sáng cho phép truyền qua phân cực thứ 2, bị phân cực ngang định hướng vuông góc với phân cực Ánh sáng tạo nên bảy đoạn hiển thị Khi dòng điện áp vào điện cực, pha tinh thể lỏng thẳng hàng với dòng điện đặc trưng xoắn ốc cholesteric Ánh sáng truyền qua điện cực tích điện không bị xoắn bị chặn lại phân cực Bằng cách phối hợp điện bảy điện cực dương âm, hiển thị có khả biểu diễn số từ đến Trong ví dụ này, điện cực phía bên phải phía bên trái tích điện chặn ánh sáng truyền qua chúng, cho phép tạo số “2” hiển thị (nhìn ngược lại hình 9) Hiện tượng hoạt tính quang học chất định có nguyên nhân từ khả chúng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực Thuộc loại nhiều loại đường, amino acid, sản phẩm hữu tự nhiên, tinh thể định số chất dùng làm thuốc uống Độ quay đo cách đặt dung dịch hóa chất mục tiêu hai phân cực bắt chéo thiết bị có tên máy nghiệm phân cực Được quan sát thấy lần vào năm 1811 nhà vật lí người Pháp Dominique Arago, hoạt tính quang học đóng vai trò quan trọng nhiều trình sinh hóa đa dạng, hình học cấu trúc phân tử chi phối tương tác chúng Các hóa chất làm quay mặt phẳng dao động ánh sáng phân cực theo chiều kim đồng hồ gọi dextrorotatory levorotatory Hai hóa chất có công thức phân tử khác tính chất quang học gọi đồng phân quang học, chúng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo hướng khác 47 Các tinh thể không đối xứng dùng để tạo ánh sáng phân cực áp điện trường vào bề mặt Một dụng cụ phổ biến sử dụng ý tưởng có tên tế bào Pockels, dùng chung với ánh sáng phân cực làm thay đổi hướng phân cực 90 độ Tế bào Pockels bật tắt nhanh dòng điện thường dùng làm cửa chắn nhanh cho phép ánh sáng qua khoảng thời gian ngắn (cỡ nano giây) Hình 10 biểu diễn truyền ánh sáng phân cực qua tế bào Pockels (sóng màu vàng) Ánh sáng sin màu xanh đỏ phát từ vùng tế bào biểu diễn cho ánh sáng phân cực đứng ngang Khi tế bào tắt, ánh sáng phân cực không ảnh hưởng truyền qua (sóng màu xanh), tế bào hoạt động mở, vectơ điện chùm ánh sáng lệch 90 độ (sóng màu đỏ) Trong trường hợp có điện trường cực lớn, phân tử chất lỏng chất khí định xử tinh thể dị hướng thẳng hàng theo kiểu tương tự Tế bào Kerr, thiết kế dùng chất lỏng chất khí gia dụng thay cho tinh thể, hoạt động sở làm thay đổi góc ánh sáng phân cực Những ứng dụng khác ánh sáng phân cực bao gồm kính râm Polaroid nói trên, việc sử dụng lọc phân cực đặc biệt dùng cho thấu kính camera Nhiều thiết bị khoa học đa dạng sử dụng ánh sáng phân cực, phát laser, qua phân cực nguồn nóng sáng huỳnh quang nhiều kĩ thuật khác Các phân cực sử dụng phòng chiếu sáng sân khấu để làm giảm ánh chói tăng độ rọi sáng, mang kính để cảm nhận chiều sâu với phim ba chiều Các phân cực bắt chéo 48 dùng quần áo du hành vũ trụ để làm giảm đột ngột khả ánh sáng phát từ Mặt Trời vào mắt nhà du hành vũ trụ lúc ngủ Sự phân cực ánh sáng có ích nhiều mặt kính hiển vi quang học Kính hiển vi ánh sáng phân cực thiết kế dành cho quan sát chụp ảnh vật nhìn thấy chủ yếu đặc trưng bất đẳng hướng mặt quang học chúng Các chất dị hướng có tính chất quang học thay đổi theo hướng truyền ánh sáng qua chúng Để hoàn thành công việc này, kính hiển vi phải trang bị phân cực, đặt đường tia sáng trước mẫu vật, phân tích (bản phân cực thứ hai), đặt quang trình lỗ sau vật kính ống quan sát cổng camera Sự tương phản ảnh tăng lên tương tác ánh sáng phân cực phẳng với chất lưỡng chiết (hoặc khúc xạ kép), tạo hai thành phần sóng riêng rẽ phân cực mặt phẳng vuông góc với Vận tốc thành phần khác thay đổi theo hướng truyền ánh sáng qua vật Sau khỏi vật, thành phần ánh sáng lệch pha quét nên hình elip vuông góc với hướng truyền, kết hợp lại qua giao thoa tăng cường triệt tiêu chúng truyền qua phân tích Kính hiển vi ánh sáng phân cực kĩ thuật nâng cao độ tương phản cải thiện chất lượng ảnh thu với chất lưỡng chiết so với kĩ thuật khác chiếu sáng trường tối trường sáng, tương phản giao thoa vi sai, tương phản pha, tương phản điều biến Hoffman, huỳnh quang Ngoài ra, việc sử dụng phân cực cho phép đo đạc tính chất quang học khoáng vật chất tương tự giúp phân loại nhận dạng chất chưa biết *Sự khác tinh thể hạng trung hạng thấp Ở tinh thể hạng trung có trục quang học, nghĩa có phương mà ánh sáng truyền theo phương không bị lưỡng chiết, theo phương khác bị tách thành tia, tia thường (tuân theo định luật khúc xạ phản xạ Ðề các) tia bất thường Trục quang học trùng với trục đối xứng bậc cao tinh thể Ở tinh thể hạng thấp có trục quang học, nghĩa có phương mà ánh sáng truyền theo không bị lưỡng chiết, theo phương khác bị tách thành tia tia bất thường 49 KẾT LUẬN Học phần Vật lý tinh thể cung cấp cho học viên kiến thức chung nhất, về: kiến trúc tinh thể, cấu trúc tinh thể, tính đa hình đồng hình, tính chất vật lý thông thường tinh thể tính cát khai, độ cứng, tính dẫn nhiệt, tính áp điện, hỏa điện, sắt điện quang tính v.v…của vật rắn Tính chất vật lý tính chất quan trọng vật thể Chúng có mối liên hệ chặt chẽ với tính đối xứng cấu trúc tinh thể Với đề tài mình, trình bày tính chất: tính cát khai; độ cứng số phương pháp đo độ cứng; tính dẫn nhiệt; tính áp điện, hỏa điện, sắt điện số ứng dụng; quang tính số ứng dụng Qua đó, làm rõ mối liên hệ tính chất vật lý với tính đối xứng cấu trúc tinh thể Các tính chất vật lý thông thường tinh thể trình bày công cụ hỗ trợ để nhà khoa học tìm hiểu cấu trúc bên vật thể, từ biết cách sử dụng vật thể vào mục đích định Hiện nay, khoáng vật tự nhiên ngày cạn kiệt, người tìm cách chế tạo vật liệu nhân tạo (ví dụ: kim cương, thạch anh, graphit,…) để phục vụ cho sản xuất nghiên cứu Sự hiểu biết tính chất vật lý cụ thể góp phần tích cực vào trình Ngoài tính chất trên, phạm vi nghiên cứu môn học nên số tính chất khác không nhắc đến Mặc dù cố gắng hạn chế kiến thức thời gian nên làm không tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy, anh chị bạn góp ý bổ sung để tiểu luận nhóm hoàn thiện 50 [...]... phương đơn(tức 3 trục đối xứng bậc 2 của tinh thể) của tinh thể 25 Như vậy độ dẫn nhiệt trong tinh thể có liên quan dến tính đối xứng hay cấu trúc của tinh thể Trong tinh thể, những hướng có độ dẫn nhiệt lớn thường ứng với những hàng mạng có mật độ hạt lớn Tính dẫn nhiệt của tinh thể phụ thuộc nhiều vào mức độ sai hỏng trong cấu trúc của chúng Cấu trúc càng nhiều sai hỏng tinh thể càng kém dẫn nhiệt... nhiệt nhanh vào toàn bộ thể tích tinh thể 2.4 Tính áp điện, hỏa điện, sắt điện Trong tinh thể các chất chỉ có tinh thể dạng liên kết kim loại có tính dẫn điện tốt, vì trong cấu trúc của chúng thường xuyên có mặt các điện tử tự do Những tinh thể đặc trưng bằng dạng liên kết ion và cộng hóa trị thường là những tinh thể cách diện Tuy nhiên bản chất cách điện của chúng không phải là vĩnh cửu, mà có thể thay... cực) của chúng, tăng tỉ lệ thuận với kích thước ion và tỉ lệ nghịch với độ bền vững của lớp vỏ điện tử Trong các hợp chất ion, anion đóng vai trò quyết định tới độ khúc xạ và giá trị này tăng tỉ lệ thuận với điện tích 31 Tính chất quang học của tinh thể là do đặc điểm truyền ánh sáng trong môi truờng này quyết định Ðiều đó lại liên quan đến tính đối xứng của cấu trúc tinh thể Về tính chất quang học vật. .. hệ đối xứng, mặt quang suất có hình dạng và tính chất khác nhau; Dựa vào dó có thể dễ dàng dự đoán những biểu hiện của tinh thể dưới ánh sáng phân cực Mặc dù phần lớn các tính chất quang học chịu ảnh huởng mạnh của thành phần hoá học, một số trong chúng như chỉ số chiết suất, lưỡng chiết suất, quang dấu lại phụ thuộc nhiều vào đặc điểm cấu trúc Chỉ số chiết suất phụ thuộc vào mật độ hạt của cấu trúc, ... học của bản tinh thể tạo thành những sóng siêu âm truyền vào trong môi trường xung quanh Tính chất này được ứng dụng để chế tạo các nguồn phát siêu âm Các song này có thể truyền di 1 khoảng đáng kể trong nước Người ta sử dụng hiệu ứng này vào phương tiện thông tin giữa các tàu ngầm Nghiên cứu cấu trúc những tinh thể có tính áp điện nguời ta thấy rằng những tinh thể chứa tâm đối xứng không thể là vật. .. một vài vật liệu có cấu trúc tinh thể phức tạp và có tính đối xứng thấp như bari titanat (BaTiO 3) bari và chì ziêconat (PbZrO 3), amonidihydrophotphat (NH4H2PO4) và thạch anh Tính chất này thể hiện : Khi nén hoặc kéo giãn 1 số tinh thể điện môi theo những phương đặc biệt trong tinh thể thì trên các mặt giới hạn của tinh thể có xuất hiện những điện tích trái dấu, tương tự như những điện tích trong... trong của một tinh thể 2.1 Độ cứng và đặc điểm của độ cứng 2.1.1 Độ cứng là gì? Ðộ cứng của tinh thể là mức độ đề kháng của nó đối với các tác dụng cơ học Ðộ cứng của một chất liên quan với khả năng bề mặt của nó chống lại tác động mài; chất bị mài mòn khi lực liên kết bị phá huỷ Độ cứng của vật liệu là là khả năng chống lại sự biến dạng hay phá hủy bề mặt vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực thông qua... dưới tác dụng của bức xạ hồng ngoại, tử ngoại, của áp lực hay của nhiệt dộ Tính áp điện, hỏa điện, sắt điện là 3 tính chất điện tương đối quan trọng và mới ở 1 số vật liệu điện môi Một mặt nó góp phần xác định tính đối xứng của tinh thể, mặt khác nó cho phép sử dụng tinh thể với những hiệu ứng đặc biệt dó dể chế tạo những thiết bị đặc biệt trong kỹ thuật (Ðiện môi hay chất cách diện khác vật dẫn cơ bản... cứng của tinh thể có tính dị hướng Trong cùng 1 tinh thể nhưng độ cứng theo những hướng khác nhau thì khác nhau Ví dụ : Tinh thể disten Al2SiO5 Dọc theo chiều dài tinh thể có độ cứng bằng 4,5 nhưng vuông góc với phương đó cho độ cứng bằng 7 Những mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất sẽ có độ cứng lớn nhất (những mặt này cũng là những mặt cát khai tốt nhất của tinh thể) 8 Ðộ cứng của vật chất còn có quan. .. Hiệu ứng này chỉ phát sinh trong tinh thể theo những hướng hoàn toàn xác định Ðó là những hướng phân cực trùng với phương đơn (là phương được bảo toàn qua bất kỳ phép biến đổi đối xứng có trong tinh thể) của tinh thể và ở tinh thể không chứa tâm đối xứng Do hiệu ứng hỏa điện khi xuất hiện có kèm theo sự giãn nở nhiệt của tinh thể nên nó có thể coi là trường hợp đặc biệt của áp diện (Tuamalin là 1 loại