Кристаллооптика – обширный раздел физической оптики, исследующий законы и особенности распространения световых лучей в кристаллах и других анизотропных средах.
Рисунок 1. Главное положение кристаллооптики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Характерными для таких пространств явлениями считают следующие:
- двойное лучепреломление;
- поляризация света;
- гиротропия;
- плеохроизм и т. п.
Стоит отметить, что именно двупреломление, открытое Э. Бартолином в 1669 на кристаллах кальцита, положило начало кристаллооптике. Вопросы излучения и поглощения света кристаллами изучается посредством спектроскопии кристаллов. Воздействие электрического и магнитного полей на оптические характеристики кристаллов рассматриваются в электрооптике и магнитооптике.
Так как период кристаллической решётки во много раз меньше длины волны видимого света, кристалл выступает в качестве однородной, но анизотропной среды. Оптическая анизотропия в кристаллооптике изменением свойств поля сил взаимодействующих частиц. Характер этого явления непосредственно связан с симметрией кристаллов. Все кристаллы, кроме кубических, оптически анизотропны.
Краткая история кристаллооптики
Подавляющее большинство наиболее используемых в современной технике материалов имеет кристаллическое строение. Исключение составляет только стекло - аморфный материал. Его самые близкие родственники - металлические аморфные сплавы (металлические стекла) до сих пор экзотичны по своему строению, хотя достаточно быстрыми темпами начинают занимать лидирующие позиции в широком круге используемых человеком предметов.
Вся наука о кристаллах основывается на осознании того факта, что кристаллы одного сорта независимо от своего происхождения имеют одинаковые внутреннее строение и внешние формы.
Это потребовало от ученых применения и внедрения математических понятий для детального описания формы кристаллов.
В конце 1669 года Н. Стенон открыл теорию постоянства углов между кристаллическими гранями. Именно отсюда официально ведет свой старт научная кристаллооптика. Следующая замечательная веха на пути ее становления - 1774 год. Рене Гаюи представил закон целых чисел, согласно которому любое положение грани кристалла в среде можно выразить тремя целыми числами. База физической кристаллооптики, которая устанавливает взаимосвязь между характеристиками кристалла и свойствами атомов, была заложена российским исследователем М.В. Ломоносовым.
Догадки ученого были удивительными, так как в годы его жизни не существовало определенных правильных идей о сущности природе молекул и атомов. Настоящий расцвет кристаллооптики начался в начале XX столетия. Это напрямую связано с применением на практике рентгеновских лучей, которые были открыты незадолго до этого - в 1895 году.
Положение оптической индикатрисы в кристаллах
Индикатриса кристаллов низших сингоний является трехосным эллипсоидом, векторы которого соответствуют всем показателям светового преломления.
Элементы низших сингоний всегда оптически двуосные. Угол между оптическими величинами называется в физике угол оптических осей. Оси эллиптических соединений индикатрисы представляю собой векторы, которые указывают дальнейшее направления световых колебаний и параметры преломления для лучей, распространяющихся строго перпендикулярно к данному сечению. Следовательно, для точного определения колебательных движений появляющихся лучей и величин преломления необходимо разрезать индикатрису такой плоскостью, которая проходит через ее центр и перпендикулярна конкретному лучу.
В кристаллооптике существуют такие виды сингонии:
- кубическая сингония – изначальное, единичное направление отсутствует, а индикатриса становится похожа на шар, который располагается произвольно;
- средняя сингония - имеется только одно единичное направление в действующих кристаллах;
- ромбическая сингония - единичным направлением выступают сразу три оси симметрии второго порядка;
- моноклинная сингония - существует множество единичных направлений, которые находятся в одной плоскости, полностью совпадающей, с плоскостью кристаллической симметрии;
- триклинная сингония - все направления системы единичны, поэтому положение индикатрисы не фиксировано определенными внешними условиями.
Рисунок 2. Сингонии и кристаллические системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Все свойства кристаллов, среди которых и оптические, по всем вышеуказанным направлениям, в результате оказываются тождественными. Поэтому совершенно неважно, какую точку кристалла изначально принять за центр оптической индикатрисы. Все векторы и оси концепции должны рассматриваться как направления, то есть как совокупность параллельных индикатрисы линий.
Значимость кристаллооптики
С начала ХХ столетия кристаллооптика продолжала сохранять свой первоначальный описательный характер, занимаясь в первую очередь исследованием основных внешних форм кристаллов и их физических свойств. После первого экспериментального доказательства решетчатого строения твердых веществ содержание кристаллооптики изменилось существенным образом.
Возможность научного и более комплексного рассмотрения внутреннего строения кристаллов путем применения рентгеновских лучей значительно расширила цели в оптике и привела к появлению новых разделов этой науки.
Современная кристаллооптика исследует и описывает все свойства кристаллического вещества и относящиеся к нему физические закономерности, которые действуют в связи с его внутренним решетчатым строением. Главной целью кристаллооптики является установление прочной взаимосвязи между структурой кристаллов и их химическими особенностями, а также различными геометрическими, физическими и физико-химическими свойствами.
Следовательно, главными науками, на которых базируется и развивается кристаллооптика, являются химия, физика и математика. В свою очередь данным научным разделом широко пользуются рентгенография, металлография, физика материального тела, геохимия, петрография и радиотехника. Огромный интерес к кристаллооптике проявляют также химики и физика, так как на сегодняшний день существует определённая зависимость физических особенностей кристаллов от их внутреннего строения, которое в свою очередь первостепенно обуславливается химическим составом кристаллического элемента.
Рисунок 3. Физические науки, изучающие кристаллы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Значение кристаллооптики как одной из важнейших наук о кристаллах, вытекает из чрезвычайной распространенности кристаллического состояния физического вещества. Так как с кристаллами приходится иметь дело абсолютно во всех сферах человеческой деятельности, то развитие каждой сферы народного хозяйства выдвигает целый ряд важных задач. Сюда относится, в первую очередь, получение и внедрение высококачественных кристаллических материалов, которые необходимы для удовлетворения нужд и потребностей новейшей техники.
