Двупреломление света в кристаллах и оптическая индикатриса

Двупреломление света происходит только в анизотропных веществах. Это явление открыл в 1669 году датский ученый Э.Бартолин, исследуя кристалл прозрачного кальцита (исландского шпата). При рассмотрении точки сквозь кристалл исландского шпата, то она будет выглядеть как две точки. Если кристалл вращать, то одна из видимых точек будет оставаться на месте, а вторая будет описывать окружность (рисунок 1.8). Ниже о возникновении этого эффекта. Один луч проходит сквозь кристалл без изменения своего направления, а второй преломляясь, отклоняется от первоначального направления и образует небольшой угол отклонения. При выходе из кристалла эти два луча идут параллельно друг к другу, однако имеют перпендикулярные друг к другу плоскости колебания. Следовательно, двупреломление – это явление поляризации света с раздвоением луча, возникающее в анизотропных веществах (в минералах средних и низших сингоний). Направления колебаний этих лучей взаимно перпендикулярны и скорости их отличаются друг от друга.

Луч с постоянным показателем преломления (правильнее, постоянной скоростью) называется обыкновенным лучом и его показатель преломления обобзначается n_о (ordinary - обыкновенный, простой). Луч с переменным показателем преломления называется необыкновенным лучом и его показатель преломления обозначается как n_e (extraordinary - особенный, необыкновенный).

В минералах средних сингоний (тригональной, тетрагональной, гексагональной) только в одном направлении свет не претерпевает двупреломления, это направление называется оптической осью. Поэтому минералы этих сингоний называются оптически одноосными минералами.

Рисунок 1.8 – Двупреломление в ромбоэдре исландского шпата.

1 – положение проекции обыкновенного (о) и необыкновенного (н) лучей при повороте кристалла, 2 – направление хода обыкновенного и необыкновенного лучей

Оптическая ось их и оси симметрии высшего порядка совпадают (L₃, L₄, L₆). В других направлениях минералов средних сингоний происходит двупреломление света, т.е. показатель преломления обыкновенного луча остается постоянным, а необыкновенного – изменяется в зависимости от направления прохождения его в минерале. Если показатель преломления необыкновенного луча больше, чем у обыкновенного (n_е>n_о), то минерал считается оптически положительным (+), в случае, если значение показателя преломления необыкновенного луча меньше, чем у обыкновенного (n_е<n_о), то минерал оптически отрицательный (-).

В минералах низших сингоний (ромбической, моноклинной, триклинной) существуют два направления, в которых луч проходящего сквозь минерал света не претерпевает преломления, т.е. минералы оптически двуосны. В других же направлениях свет двупреломляется. Оба эти преломленных луча будут считаться необыкновенными, так как оба изменяют свои скорости прохождения, и показатели преломления изменяются в зависимости от направления движения. В случае n_g- n_m > n_m-n_p, минерал положительный (+), в случае n_g- n_m< n_m-n_p, минерал отрицательный (−).

Для удобства понимания явления двупреломления создана модель, называемая оптической индикатрисой. Оптическая индикатриса – это воображаемая поверхность, отражающая связь между направлениями колебаний проходящих через минерал световых волн и показателей преломления его в этих направлениях. Колебания проходящих черех минерал световых волн происходят только вдоль осей эллиптического сечения индикатрисы. Различные виды оптических индикатрис связаны с симметриями минералов.