J α+ Id λλ αβ Iλ ϕ dλ
HIỆN TƯỢNG LƯỠNG CHIẾT NHÂN TẠO SS.23 Lưỡng chiết do sự nén.
SS.23. Lưỡng chiết do sự nén.
Các mơi trường dị hướng ta đã xét ở các phần trên hầu hết là những mơi trường kết tinh. Trong các mơi trường này, chính sự dị hướng trong sự cấu trúc tinh thể đưa đến tính dị
hướng quang học. Vì vậy, nếu ta dùng một lực nén tác dụng vào một mơi trường đẳng
hướng để tạo một sự bất đối xứng trong mơi trường này thì sẽ gây ra được hiện tượng chiết quang kép giống như một tinh thể dị hướng tự nhiên.
Thí nghiệm dưới đây chứng tỏ hiện tượng lưỡng chiết nhân tạo nĩi trên.
Cho một chùm tia sáng song song, đơn sắc đi qua một hệ thống hai nicol P và A chéo gĩc. Như vậy sẽ khơng cĩ ánh sáng lĩ ra khỏi A. Bây giờ giữa hai nicol P và A, đặt một khối thủy tinh C đẳng hướng: vẫn khơng cĩ ánh sáng lĩ ra khỏi A. Nhưng nếu ta tác dụng vào các mặt trên và dưới của khối C một lực nén đềuĠ theo phương Oz thì khi đĩ lại thấy ánh sáng đi qua A. Điều này chứng tỏ dưới tác dụng của lực nénĠ, phương Oz trong khối thủy tinh C cĩ tính chất khác với các phương khác và khối C trở thành mơi trường dị hướng.
Thí nghiệm cho biết dưới tác dụng của sức nén như trên, khối C giống như một mơi trường đơn trục, cĩ trục quang học song song với phương của lực nén.
Ánh sáng phân cực thẳng OP chiếu tới khối thủy tinh C theo phương Ox, khi lĩ ra khỏi C, trở thành ánh sáng phân cực elip, do đĩ một phần ánh sáng lĩ ra khỏi nicol A.
Nếu ta triệt tiêu lực nénĠ, thủy tinh trở lại đẳng hướng như cũ.
Thí nghiệm cho biết độ chiết quang kép ne - no sinh ra do sự nén thì tỉ lệ với áp suất p tác dụng lên mơi trường.
(n = ne - no = k(p, k = hằng số tỷ lệ
∆n = k λ
Hiệu lộ giữa các tia bất thường và thường khi đi qua khối C là:
δ = (ne - no)e = kλ
Trong đĩ : ne = chiết suất bất thường chính, ứng với phương chấn động song song với phương của lực nén.
no = chiết suất thường, ứng với phương chấn động thẳng gĩc với
phương của lực nén.
Hằng số k tùy thuộc bản chất của mơi trường chịu nén và tùy thuộc độ dài sĩng của
ánh sáng truyền qua, cĩ thể dương hay âm. P c λ A F F x z F F y o e λ (b) H.54 (a) l e F S F = kλ . l F
♦ Khi k > 0, ne > no, ve < vo : mơi trường chịu nén cĩ tính dị hướng giống như một tinh thể dương (như thạch anh).
♦ Ngược lại, nếu k < 0, ne < no, ve > vo : mơi trường trở thành giống tinh thể âm (như đá băng lan).
Thí dụ với thủy tinh và khi dùng ánh sáng vàng (=0,6x103mm, áp suất p tính ra kg lực/mm2, k cĩ trị số -0,05.
Với một áp suất p = 1 kg lực/ mm2, độ lưỡng chiết là
∆n = ⎪ne - no⎪ = ⎪k⎪λp = 0,05 x 0,6 x 10-3 x 1 = 3 x 10-5
Ta thấy trị số này nhỏ so với độ lưỡng chiết trong các chất dị hướng thiên nhiên (thí dụ :
đá băng lan cĩ (n = 0,173).
Ta lưu ý : no là chiết suất ứng với tia thường khi thủy tinh đã trở thành dị hướng do sự nén, khơng được nhầm với chiết suất n của thủy tinh khi khơng bị nén. Ta cĩ ne > n và no > n.
Hiện tượng phân cực nén này được ứng dụng trong kỹ nghệ cơ khí để khảo sát sức nén trên các bộ phận trong các máy mĩc khi máy hoạt động.
SS.24. Lưỡng chiết điện (hay hiệu ứng Kerr).
Đây là hiện tượng một chất lỏng đẳng hướng trở thành dị hướng khi được đặt trong một điện trường. Hiện tượng này được khảo sát lần đầu tiên bởi Kerr năm 1875 nên được gọi là
hiệu ứng Kerr.
Ta cĩ thể thực hiện thí nghiệm như sau :
H.55
Chậu C chứa một chất lỏng đẳng hướng, nitrobenzen chẳng hạn, điện trường tác dụng
vào chất lỏng gây ra do hai cốt của một máy tụ điện. Hệ thống này được gọi là tế bào Kerr và được đặt giữa hai nicol P và A ở vị trí chéo gĩc. Nếu khơng cĩ điện trường (hai cốt của máy tụ điện khơng tích điện), dĩ nhiên khơng cĩ ánh sáng lĩ ra khỏi A. Cho máy tụ điện tích
điện để tạo một điện trường giữa hai cốt máy, ta thấy cĩ ánh sáng lĩ ra khỏi A. Khi đĩ chất
lỏng giữa hai cốt máy tụ điện đã trở thành dị hướng, cĩ các tính chất quang học giống như một tinh thể đơn trục cĩ trục quang học song song với phương của điện trường. Ánh sáng lĩ ra khỏi chất lỏng là ánh sáng elip, do đĩ một phần ánh sáng đi qua nicol A.
Khi đi vào chất lỏng ở trong điện trường, chấn động thẳng OP bị tách làm hai chấn động theo hai phương ưu đãi, truyền đi với hai vận tốc khác nhau Vo và Ve. Tia thường chấn động thẳng gĩc với điện trường, ứng với chiết suất no. Tia bất thường chấn động song song
với điện trường, ứng với chiết suất bất thường chính ne.
Thí nghiệm cho biết, ứng với một độ dài sáng (, độ lưỡng chất (n = ne - no tỉ lệ với bình phương của điện trường E.
P
+
A
–
∆n = ne - no = B λ E2
B được gọi là hằng số Kerr, tùy thuộc bản chất của chất lỏng, độ dài sĩng ( và nhiệt độ : B tăng khi ta xét từ ánh sáng đỏ tới ánh sáng tím và giảm khi nhiệt độ tăng.
Vì (n tỉ lệ với E2 nên dấu của (n khơng tùy thuộc chiều của điện trường. Hầu hết các
chất lỏng, dưới tác dụng của điện trường, cĩ tính chất dị hướng giống như các tinh thể
dương đơn trục, nghĩa là cĩ ne > no hay B > 0. Chỉ cĩ vài chất lỏng cĩ B < 0 (thí dụ ether). Hiệu quang lộ giữa 2 chấn động ưu đãi khi đi qua chất lỏng là :
δ = (ne - no) l
l = bề dài của cốt máy tụ điện
Độ lưỡng chiết (n trong hiện tượng lưỡng chiết điện rất nhỏ so với độ lưỡng chiết của
các chất dị hướng thiên nhiên kết tinh. Hiện tượng này cũng thấy với một số chất khí nhưng
độ lưỡng chiết sinh ra trong trường hợp này rất nhỏ.
a) Lý thuyết của hiện tượng lưỡng chiết điện:
Các phân tử của các chất lỏng, hay chất khí, trong hiện tượng lưỡng chiết điện đã cĩ tính dị hướng. Khi khơng cĩ tác dụng của điện trường ngồi, các phân tử này do sự dao động
nhiệt hỗn loạn phân bố tự do theo mọi hướng, do đĩ nên xét tồn thể thì mơi trường được coi như đẳng hướng (hình 56a).
(a) H.56 (b)
Khi chất lỏng (hay chất khí) này được đặt trong một điện trườngĠ thì các phân tử được
định hướng theo phương song song với điện trườngĠ (tác dụng của điện trường trên các
phân tử phân cực hay các lưỡng cực điện - hình 56b), nghĩa là trong mơi trường xuất hiện một phương cĩ tính phân cực mạnh hơn các phương khác : mơi trường đã trở thành dị
hướng. Nếu ta đổi chiều điện trườngĠ thì các phân tử sẽ quay đi một gĩc 180o nhưng tính phân cực của mơi trường thì khơng cĩ gì thay đổi. Ngồi ra, nếu nhiệt độ càng cao thì sự
dao động nhiệt càng mạnh do đĩ sự định hướng của các phân tử càng kém, hằng số Kerr B cĩ trị số càng nhỏ.
b) Đo thời gian kéo dài của hiện tượng kerr:
Sự phân cực do điện trường khơng lập tức chấm dứt khi điện trường gây ra nĩ triệt tiêu mà cịn kéo dài một thời gian. Người ta đã đo thời gian kéo dài thêm bằng thí nghiệm sau (hình 57).
Tế bào Kerr đặt giữa hai nicol P và A chéo gĩc. H.57 P A B M3 M2 M1 E I K L M4
Hai cốt của máy tụ điện của tế bào Kerr được nối với hai đầu của một cái phĩng tia lửa
điện E, và được tích điện nhiều lần trong một giây nhờ một cuộn cảm ứng B. Khi hiệu điện
thế giữa hai cốt máy tụ điện đủ mạnh, máy tụ điện sẽ phĩng điện : E phát ra một tia lửa điện và hiệu điện thế giữa hai cốt máy tụ điện triệt tiêu. Ánh sáng phát ra từ E, phản chiếu trên các gương M1, M2, M3, M4, đi một lộ trình D = EIJKLP trước khi tới tế bào Kerr. Như vậy, ánh sáng của các tia lửa điện phĩng ra bởi E đi vào tế bào Kerr sau một thời gian t =
Ġ kể từ lúc điện trường trong chất lỏng của tế bào bị triệt tiêu. (c là vận tốc ánh sáng)
Ta gọi ( = thời gian hiện tượng lưỡng chiết điện cịn tồn tại trong chất lỏng sau khi điện trường đã triệt tiêu. Nếu t < (, vì hiện tượng lưỡng chiết điện cịn tồn tại nên ánh sáng phân cực thẳng OP đi qua tế bào Kerr trở thành ánh sáng elip, do đĩ cĩ ánh sáng đi qua A. Ngồi ra sự phĩng điện xảy ra nhiều lần trong một giây nên mắt sẽ thấy sáng liên tục. Nếu t > (, khi ánh sáng tới tế bào Kerr, hiện tượng lưỡng chất điện đã chấm dứt : sau khi đi qua tế bào Kerr, ánh sáng vẫn là phân cực thẳng OP, nên bị nicol A chặn lại : mắt thấy tối.
Cách đo A như sau: lúc đầu ta để các gương M1, M2 gần các gương M3, M4 để quang lộ D ngắn, thời gian t nhỏ hơn thời gian (, mắt thấy sáng liên tục. Di chuyển tịnh tiến các gương M1, M2 ra xa M3 và M4, ta thấy cường độ ánh sáng lĩ ra khỏi A giảm đi rất nhanh, nghĩa là hiện tượng lưỡng chiết điện giảm đi rất nhanh khi D tăng. Ta thấy tối khi khoảng cách D ( 4 mét. Khi đĩ t = (. θ = 8 8 4 10 3 10 D giây c x − ≈ ≈
Thời gian này thực ra chỉ là giới hạn trên của ( vì các tia lửa điện cũng kéo dài một thời gian chứ khơng tắt lập tức. Các phép đo về sau chính xác hơn cho các trị số ( ở trong khoảng 10-10 giây và 10-11 giây.
Hiện tượng Kerr được ứng dụng để đo các thời gian rất ngắn, được dùng trong kỹ nghệ phim nĩi (ghi âm thanh lên phim chiếu bĩng).
SS.25. Lưỡng chiết từ.
H.57
Dưới tác dụng của một từ trường, một chất lỏng đẳng hướng cĩ thể trở thành dị hướng, thí dụ Nitrobenzen.
Để khảo sát, ta cĩ thể sắp đặt các dụng cụ như hình vẽ 5.58. Các nicol P và A ở vị trí
chéo gĩc nhau. Chất lỏng đựng trong một ống C, đặt giữa hai cực của một nam châm điện mạnh. Chùm tia sáng đi qua hệ thống thẳng gĩc với từ trường.
Thí nghiệm cho biết, tương tự hiện tượng lưỡng chiết điện, độ lưỡng chiết sinh ra do tác dụng của từ trường vào chất lỏng thì tỉ lệ với độ dài sĩng ( của ánh sáng và tỉ lệ với bình phương của cường độ từ trường H.
P
Nam châm điện
c
A
n = ne - no = C λ H2
C là một hằng số tùy thuộc bản chất của chất lỏng, độ dài sĩng ( của ánh sáng và nhiệt độ và cĩ thể âm hay dương.
Một trong hai phương chấn động ưu đãi song song với phương của từ trường.
Ta cĩ thể giải thích hiện tượng lưỡng chiết từ, tương tự hiện tượng lưỡng chiết điện,
bằng thuyết định hướng phân tử.