بخشی از مقاله
کریستالهای دوشکستی Birefringence Crystals
انواع کریستالها
کریستال همسانگرد
وقتی پرتوی به مواد اپتیکی معمولی ، مانند بلور نمک طعام وارد میشود، در همان راستا ولی با کمی جابجایی از داخل بلور خارج میشود. یعنی پرتو ورودی و خروجی موازی و هم راستا میباشند. قانون حاکم در عبور نور از یک محیط به محیط دیگر قانون اسنل میباشد که این مواد از آن پیروی میکنند. در این مواد که به مواد همسانگرد معروفند، برای یک طول موج ، یک ضریب شکست خواهیم داشت. بنابراین اگر نور تکفامی را در هر جهتی به جسم بتابانیم، در داخل آن سرعت یکسانی خواهد داشت.
کریستال ناهمسانگرد
کریستالهایی داریم که در مقابل تابش نور ، درجهتهای مختلف در داخل خود ، خواص متفاوتی از خود بروز میدهند. این مواد به کریستالهای ناهمسانگرد معروفند. کریستالهای دوشکستی از این نوع هستند که از یک پرتو غیر قطبیده ، دو پرتو قطبیده درست میکنند که قطبشهای آنها بر هم عمودند.
پدیده شکست دوگانه اولین بار در قرن 17 توسط «بارتولینوس» کشف شد. کریستالهای دوشکستی علاوه بر این که قطبندههای خطی هستند، برای تغییر دادن نوع قطبش یک باریکه نور هم مورد استفاده قرار میگیرند. تیغههای ربع موج و نیم موج کریستالهای دو شکستی هستند که برای این منظور استفاده میشوند.
ریشه لغوی
نام کلسیت از کلمه لاتین کالکس (Calx) به معنی آهک سوزان گرفته شده است.
سیستم تبلور
کلسیت در سیستم تریگونال ، رده اسکالنوئدریک متبلور میشود. دارای بلورهای درشت و مشخص و یا بصورت تودههای دانهای میباشد. فرمهای رومبوئدر و اسکالنوئدر کلسیت فراوانتر است. دارای ماکلهای گوناگون و متنوع نیز میباشد.
ساختار کلسیت
ساختار کلسیت به صورت رومبوئدر است و در آن یونهای کلسیم و بنیان (CO3)2- بطور یک در میان قرار دارند. در بنیان CO3 هر کربن بوسیله سه اکسیژن ، به صورت مثلث احاطه شده است و مثلثها در صفحههای عمود بر محور C قرار دارند. این ساختار را میتوان با شبکه تبلوری نمک طعام مقایسه نمود که در آن یونهای کلسیم در موقعیت یونهای سدیم و مثلثهای CO3 در موقعیت مکانی یونهای کلر قرار دارند.
مشخصات ماکروسکوپی کلسیت
• کلیواژ : دارای کلیواژ کامل موازی با سطوح رومبوئدری (1011) است و زاویه بین سطوح کیلواژ 74 درجه میباشد. در اثر کلیواژ کلسیت به آسانی به صورت متوازیالسطوح لوزی میشکند.
• سختی : سختی کلسیت در سطح کلیواژ 3 میباشد و در سطوح دیگر 2.5 است. که به آسانی توسط چاقو خط برمیدارد، ولی توسط ناخن خط برنمیدارد.
• رنگ : رنگ آن سفید یا بیرنگ است، اما در اثر وجود بعضی ناخالصیها میتواند به رنگهای سبز ، زرد ، آبی و حتی قهوهای تا سیاه نیز دیده شود، رنگ خاکه آن نیز بیرنگ است.
• ماکل : ماکل در بلورهای کلسیت به صورت فراوان دیده میشود. فراوانترین آنها با سطح ماکل (0001) است که در این صورت شبیه به دیتری گونال پایرامیدال میباشد. همچنین ماکل پلی سنتتیک ، ماکل قلبی شکل و پروانهای نیز در آن دیده میشود.
• فرم : کلسیت علاوه بر فرمهای بلوری ، به صورت دانهای ، ساقهمانند ، رشتهای ، استالاکتیتی و تودهای نیز تشکیل میشود.
• خاصیت مشخصه کلسیت : کلسیت در اسیدها ، حتی در حالت سرد ، با ایجاد گاز CO2 ، به آسانی حل میشود. اگر کمی اسید کلریدریک رقیق و سرد روی کلسیت بریزیم با آن واکنش داده و میجوشد.
مشخصات میکروسکوپی کلسیت
• نور طبیعی
کلسیت در نور طبیعی بیرنگ است، اما بعضی اوقات به صورت مهآلود دیده میشود. گاهی به صورت االیتی یا اسفرولیتی دیده میشود. کلیواژ کامل آن به موازات سطح (1011) به صورت دو سری متقاطع با زاویه ́55 , ˚74 دیده میشود. گاهی دارای جدایش به موازات سطح (0112) میباشد، که به خاطر ماکل است. برجستگی بلور از جهات گوناگون ، متفاوت است. از اینرو ، برجستگی ضعیف تا متوسط ، منفی یا مثبت دارد. مقاطع موازی با سطح (0001) برجستگی ثابت دارد.
• نور قطبیده
بیرفرژانس فوقالعاده قوی دارد و رنگهای تداخلی آن رنگهای سفید سریهای فوقانی میباشد. خاموشی نسبت به اثر کلیواژ متقارن است. ماکل پلیسنتتیک زیاد دیده میشود. تیغههای ماکل به ویژه در کلیستهای تولید شده در اثر دگرگونی بطور معمول موازی با قطر بزرگ لوزی است، اما گاهی نسبت به آن مایل دیده میشود. این تیغهها اغلب خیلی ظریف هستند و تیغههای ماکل به علت نازکی زیاد از خود رنگ تداخلی سری اول را نشان میدهند.
• نور متقارب : یک محوری منفی است و اغلب دوایر رنگین دارد. گاهی به صورت دو محوری دیده میشود.
نحوه و محل پیدایش کلسیت
کلسیت یکی از کانیهای فراوان سنگهای رسوبی و دگرگونی است. سنگ آهک ، تراورتن و مرمر فقط از کلسیت ساخته شدهاند. حدود 50 درصد ترکیب مارنها ، کلسیت است. بخش اعظم ماسهسنگهای آهکی را کلسیت میسازد. کلسیت در سنگهای آذرین بیرونی بطور ثانوی تشکیل میشود. اسکلت آهکی موجودات زنده ، ممکن است کلسیتی باشد.
گل سفید یک نوع آهک متخلخل و نرم و خاکی است که از پوسته آهکی روزنداران تولید شده است. مرمر اونیکس یک نوع آهک است که از رشتههای ظریف کلسیت ساخته شده است. تراورتن نیز کلسیت است که در محل چشمههای آهکی تشکیل میشود. در ایران سنگهای آهکی که از کلسیت همراه با ناخالصی تشکیل شدهاند، بسیار فراوان هستند و تقریبا در همه استانها وجود دارند.
کاربرد کلسیت
کلسیت به صورت سنگ آهک در صنایع سیمان و کارخانجات آهکپزی بهمقدار زیاد مصرف دارد. در صنایع شیمیایی مانند کارخانه قند ، برای تصفیه و جداسازی ترکیبات فسفاتی و اسیدهای آلی ، در صنایع نفت برای خنثی کردن ترکیبات آلی ، سولفیدها و بی اثر ساختن گاز انیدرید سولفوره و تهیه گریس ویژه بکار میرود. در کارخانههای ذوب فلزات ، به عنوان کمک ذوب ، در صنایع رنگ به عنوان پرکننده و نیز در صنایع چرم ، برای جدا کردن مو و پشم استفاده میشود. همچنین به صورت پودر مل در نقاشی و نیز در خمیردندان ، لاک شیمیایی ، عطر و لاستیک سازی مصرف میشود. در صنایع ساختمانی به عنوان سنگ نما به نام مرمریت یا تراورتن ، سنگ چینی ، مرمر و نیز در بتن به صورت سنگدانه مصرف میشود. انواع شفاف آن به نام اسپات دیسلند قبلا در ساخت وسایل نوری ، از جمله نیکل ، برای تولید نور پلاریزه به کار میرفت. اما امروزه به جای آن از صفحات پلاروید استفاده میشود.
کوارتز
کوارتز
کوارتز (Quartz)
SiO2
هگزاگونال تا دمای 573 درجه سیستم تبلور
اکسید رده بندی
/ناقص - مطابق با سطح /1011 رخ
شیشه ای - چرب جلا
(صدفی - تراشه ای(خشن شکستگی
شفاف - نیمه شفاف- غیرشفاف شفافیت
ترد نوع سختی
خاصیت مغناطیسی
بلوری - آگرگات دانه ای - توده ای اشکال ظاهری
فراوان ; یافت شده در سنگهای ماگمایی اسیدی و پگماتیت های برزیل و روسیه ژیزمان
. HNO3 و محلول در مقدار Mg تحت تاثیر اسیدها کم می شود خواص شیمیایی
MgO=23.41% FeO=41.71% SiO2=34.88% ( خالص 1/1 =Mg / Fe) (سری ایزومورف فورستریت تافایالیت ترکیب شیمیایی
سیاه - خاکستری - قهوه ای - بنفش - تیره - سبز- صورتی رنگ کانی
سیاه رنگ اثر خط
سختی - چگالی - رخ پذیری - انحلال در اسیدها - واکنش های شیمیایی - اشعه ایکس
تفاوت با کانی های مشابه
آپاتیت - پولوسیت - بریل - توپاز - فناکیت تشابه کانی شناسی
فلدسپات ها - میکاها - آمفیبول ها - پیروکسن ها پاراژنز
((
ماگمایی- پگماتیتی - هیدروترمال - دگرگونی - رگه های تیپ آلپی - دگرسانی ها- رسوبی منشا تشکیل
منشوری - بی پیرامیدال - پسودوکوبیک شکل بلورها
کاربرد
آلمان غربی محل پیدایش
.لومینسانس سبز کامل و کرم و نارنجی تا قرمز نشان می دهد سایر مشخصات
. از واژه کوارتز است
وجه تسمیه
سختی چگالی
حداقل حداکثر حداقل حداکثر
- 7
2.65 -
پرتوهای عادی و غیرعادی
• نور در داخل کریستال دوشکستی ، به دو امتداد تجزیه میشود ، پس از عبور نیز دو مولفه خروجی برای این نور خواهیم داشت.
• یکی از این پرتوها از قانون شکست اسنل پیروی میکند که آ ن را پرتو عادی میگویند، ولی پرتو دوم از این قانون تبعیت نمیکند وآن را پرتو غیرعادی مینامند.
• سرعت پرتو عادی در همه جهتها در داخل بلور یکسان است و ضریب شکست بلور نیز برای این پرتو ثابت است. پرتو غیر عادی در جهتهای مختلف داخل بلور ، سرعت متفاوتی دارد و ضریب شکست بلور نیز بسته به سرعت پرتو متفاوت میباشد.
• قطبش پرتو عادی عمود بر صفحه تابش است، ولی قطبش پرتو غیرعادی ، روی صفحه تابش میباشد، به عبارتی قطبش این دو پرتو بر هم عمود است ( صفحه تابش ، صفحهای است
که شامل پرتو تابش وخط عمود برسطح جدایی دو محیط میباشد.(
محور نوری
• پرتوهای عادی و غیر عادی در امتداد خاصی در داخل کریستال ، سرعت یکسانی خواهند داشت که این امتداد را محور نوری کریستال مینامند. در روی این محور ، تمام خصوصیات پرتو عادی و غیر عادی یکسان است و ضریب شکست بلور برای هر دو پرتو در روی این محور، یکی میباشد.
• کریستال دو شکستی به دلیل وجود این دو پرتو ، از یک جسم دو تصویر ایجاد می کند و باعث تولید نور قطبیده میشود.
• اگر جلوی یکی از این پرتوها را سد یا آن را منحرف کنیم، در حالی که مولفه دیگر از بلور عبور میکند، میتوان به یک درجه قطبش عالی دست یافت. منشور نیکول اولین کریستال قطبنده
ای است که برای این منظور ساخته شده است.
تصویر حاصل از کریستال دوشکستی
• بلور کلسیت یک کریستال دو شکستی میباشد که اگر با آن به نوشته روی کاغذ نگاه کنیم، دو تصویر خواهیم دید.
• با چرخش کلسیت روی کاغذ ، یکی از تصویرها ثابت مانده و تصویر دوم حول تصویر ثابت خواهد چرخید. تصویر ثابت ، حاصل از پرتو عادی میباشد و تصویر چرخان ، از پرتو غیرعادی بدست میآید. این دو تصویر در روی محور نوری کلسیت ، بر روی هم منطبق میشوند.
• در واقع اگر یک چشمه نقطهای نور را درون بلوری مثل کلسیت تصور کنیم، دو دسته جبهه موج متفاوت خواهیم داشت، جبهه موج مربوط به پرتو عادی ، که کروی است و جبهه موج متناظر با پرتو غیر عادی ، که بیضوی دوار است ( بیضوی دوار رویهای است که از دوران بیضی حول قطر کوچک یا بزرگ آن بدست میآید، که این محور چرخش ، در امتداد محور نوری واقع است.)
انواع کریستالهای دو شکستی
• اگر ضریب شکست پرتو عادی را با no و ضریب شکست پرتو غیرعادی را با ne نشان دهیم، اختلاف این دو
Δn = ne - no مشخصهای برای تعیین نوع کریستال دو شکستی خواهد بود.
کریستالهایی که Δn مثبت دارند، کریستال دو شکستی مثبت نامیده میشوند. در این کریستالها ، جبهه بیضوی دوار بطور کامل درون جبهه کروی محاط خواهد بود، یعنی سرعت پرتو عادی بیشتر از سرعت پرتو غیرعادی می باشد. کوارتز از این نوع میباشد.
• کریستالهایی که Δn منفی دارند، کریستال دو شکستی منفی نامیده میشوند. در این نوع کریستالها که کلسیت نمونهای از آنها میباشد، جبهه بیضوی دوار بطور کامل ، بر جبهه کروی محیط خواهد بود، یعنی سرعت پرتو غیرعادی همه جا از سرعت پرتو عادی بیشتر است.
• حالت 0 = Δn مربوط به محور نوری کریستال میباشد.
حالتهای ویژه
• در مورد موج غیرپلاریزه: اگر محور نوری با خط عمود بر سطح زاویه 0 یا 90 درجه بسازد ( یعنی محور نوری ، عمود یا موازی سطح باشد) موج ما بصورت قائم برسطح کریستال فرود آید، پرتوهای عادی و غیرعادی در یک راستا پیش میروند.
• اگر محور نوری موازی سطح کریستال باشد، دو پرتو با اینکه در یک راستا پیش میروند ولی با دو سرعت متفاوت منتشر میشوند. این پدیده در ساختن تیغههای ربع موج و نیم موج مورد استفاده قرار میگیرد.
• اگر محور نوری عمود بر سطح کریستال باشد، هر دو پرتو نه تنها در یک راستا منتشر میشوند، بلکه سرعت یکسانی هم خواهند داشت.
• در مورد موج پلاریزه خطی در مورد فرود عمودی باریکه پلاریزه خطی ، حالتهای خاص زیر را خواهیم داشت:
o اگر محور نوری موازی سطح باشد و راستای ارتعاش پرتو فرودی عمود بر سطح باشد، پرتو بصورت پرتو عادی از سطح خواهد گذشت و مولفه غیرعادی وجود نخواهد داشت.
o اگر راستای ارتعاش فرودی ، موازی سطح باشد، پرتو بصورت پرتو غیر عادی میگذرد و مولفه عادی وجود نخواهد داشت.
o در سایر حالتهای پلاریزاسیون باریکه فرودی ، هر دو مولفه عادی و غیرعادی وجود خواهند داشت. اگر میدان الکتریکی وابسته به موج پلاریزه فرودی ، با امتداد محور نوری زاویهای بسازد، باریکه خروجی قطبش بیضوی خواهد بود.
در حالت کلی در مورد باریکه فرودی پلاریزه خطی، اگر اختلاف فاز پرتوهای عادی و غیرعادی مضرب صحیحی از فاز 180 درجه باشد، نور خروجی قطبش خطی خواهد بود. بازای سایر مقادیر اختلاف فاز ، باریکه خروجی قطبش بیضوی میباشد.
نور بیشترین سرعت خود رادر خلا دارد که حدودا300000 کیلومتر بر ثانیه می باشد مقدار سرعت نور در محیط مادی غیر خلا کمتر ازمقدارش در خلا است.
با حل معادلات ماکسول و رسیدن به معادله بنیادی موج مقدار سرعت نور بر حسب گذردهی الکتریکی خلا وتراوایی مغناطیسی خلا بر طبق زابطه سرعت امواج الکترومغناطیسی ماکسول داده می شود.
اندازه گیری سرعت نور:
یکی از دقیقترین اندازه گیری های الکتریکی کمیت گذردهی الکتریکی در تراوایی مغناطیسی اس
ت که در مؤسسه ملی استاندارد ها در آمریکاه بوسیله رزا (Roza) و درسی(Dorsey) انجام شد.
نحوه اندازه گیری سرعت نور توسط رزا(Roza):
ایشان ظرفیت خازنی را که ابعاد فیزیکی آن دقیقا معلوم بود را از طریق محاسبه یافت. این ظرفیت در یکای الکتریسیته بدست آمد سپس با استفاده از پل و تستون ، ظرفیت همان خازن را در یکای الکترو مغناطیس یافت نسبت این دو مقدارظرفیت در یکای SI بصورت حاصلضرب گذردهی الکتریکی در تراوایی مغناطیسی داده شد نتیجه این اندازه گیری بسیار دقیق بود.
تاریخ اولین اندازه گیری سرعت نور:
رومر(Romer) اولین کسی بود که در سال 1676 با مطالعه گرفتگی ماه های بر جیس سرعت نور را اندازه گرفت پژوهشگران متعددی بطور مستقیم
سرعت انتشار نور را اندازه گرفته اند.نتایج این اندازه گیری ها با دخالت خطای آزمایش جواب واحدی را دنبال می کنند .
اینکه نور یک نوع آشفتگی الکترو مغناطیسی است غیر قابل انکاراست دقیق ترین اندازه گیری سرعت نور که آنرا با حرف اختصاری C در خلا نشان می دهند با استفاده از لیزر (Laser)بوده که در سال 1972 بوسیله اوانسون(Evanson) و همکارن او در مؤسسه ملی استاندارد انجام شده و نتیجه آن چنین است: (29979245692 متر بر ثانیه)
بحث کلی بسیار خوبی در مقاله "سرعت نور" نوشته بر گسترند در دایره المعارف فیزیک موجوداست.
جهت دستیابی به اطلاعات بیشتر به مرجع زیر رجوع شود:
Bescancon,R.M,ed,The Encyclopedia of physicsNew York:Reinhold 1966
اندازه گیری سرعت نور به روش های مختلف در زمانهای متفاوت در جدول زیر آمده است.
تاریخ----------------آزمایش کننده----------------روش ---------------------نتیجه(km/s)
1849---------------فیزو (Fizeau)-----------------چرخ دندانه دار--------------- (5000) 31300
1880---------------مایکلسون (Micelson)----------آینه چرخان-------------------(200) 299910
1923 --------------مرسیه (Mercier) ------------موج رادیویی-----------------(30) 299782
1952 ---------------فروم (Froom) ---------------تداخل سنج میکروموجی---------(0.7) 29979.6
1907 --------------رزا و درسی (.R.& D)---------نسبت یکاهای الکتریکی--------(10) 299784
(اعداد داخل پرانتز در نتیجه ، میزان خطای اندازه گیری را نشان می دهد.)
شکست(نور)
دید کلی
پدیده دومی که علاوه بر بازتاب در دستگاه های نوری مهم می باشد شکست هست.
• آیا از خود پرسیدید که چرا وقتی چوبی را وارد آب استخر می کنیم از بیرون کج دیده می شود ؟
• پرتوهایی که از یک عدسی می گذرد از مسیر اولیه اش منحرف می شود؟
• تیری را که از پشت شیشه ای به یک نقطه ای هدف گیری کنیم، به هدف نمی خورد؟ و ....
در سیستم های نوری در برخی ساختارها حضور شکست مفید است و در برخی از سیستم ها
ایجاد مزاحمت ( مثلاً اعوجاج ) و ... می نماید. در منشور ها این شکست نور است که با انحراف از مسیر اولیه نور سفید را به ما می دهد و .....
نورهای اجسام خارجی که توسط عدسی خود چشم و برای چشم های بیمار با همکاری عینک ها روی شبکیه چشم جمع می شوند و تشکیل تصویر می دهند. این تغییر امتداد مسیر پرتوها در عینک و عدسی چشم همان پدیده شکست است .
چون تمام سطح به سطوح کوچک تخت و کروی با هندسه معین می شوند. ما نیز سطوح اپتیکی سیستم ها را به این دو سطح محدود می کنیم .
شکست در سطوح تخت
شکست نور در شیشه (تیغه نازک) را بررسی می کنیم : وقتی نور به شیشه می تابد چون طرفین آن هوا (یا محیطی) با جنس یکسان است. مثلا طرفین تیغه شیشه ای هوا باشد در سطح اول مقداری منحرف می شود این شکست اولیه یک جا به جایی داخلی را برای این نور سبب می شود و در سطح دوم دوباره یک شکست دیگری پیدا کرده و امتداد اولیه خود را می یابد .
پدیده شکست در مرز مشترک محیط ها از قانون اسنل تبعیت می کند.
(n1 sin (i)=n2 sin (r
شکست در سطوح کروی
در سیستم های نوری با اجزای نوری همچون آینه ها ، عدسی ها ،منشورها و .... قوانین اسنل مربوط به شکست و انعکاس مسیر پرتو را می دهد اگر سطح کروی ما یک دیوپترهای کروی (سطح شکست کروی) باشد که دو محیط با جنس های مختلف نوری را از هم جدا می کند ، باشد. مثلاً از یک ستاره ای در بینهایت نور به یک دیوپتر کروی بتابد، هم در بی نهایت است.
و پرتوهای تابش موازی هم می آیند و موازی محور اصلی دیوپتر به قسمت های مختلف آن می خورند و بعد از شکست در دیوپتر خود یا امتداد هایشان از کانون دیوپتر عبور می کنند که محل تقاطع نقطه منفردی است و نیز شکست دو مرحله ای منشورها که طیف سالم و دقیق نور سفید را ایجاد می کنند .
شکست دو مرحلهای
در تیغه های متوازی السطوح و کلا شیشه های (دیوپترهای) با ضخامت معین شکست در سطح اول و شکست در سطح دوم داریم برای تیغه متوازی السطوح همانند شیشه نازک ساده فقط یک جا به جایی داخلی برای پرتو اتفاق می افتد امّا برای منشورها و غیره علاوه از جا به جایی داخلی امتداد پرتو نیز عوض می شود دیو پتر های ضخیم نیز همین حالت را دارند.
در ساختمان طیف سنج های نوری در ذات منشور ها حضور دارند در مسافت یاب منشوری یافت می شوند در دستگاه های رادیولوژی جهت جا به جایی داخلی کاربرد دارنددر ساختمان موجبر نوری در تداخل سنج ها در برخی سیستم های اندازه گیری سرعت نور این پدیده به عنوان مکانیزم دستگاه عمل می کند. و...
تیغه یک چهارم موج:
دید کلی
موادی که دو ضریب شکست متفاوت از خود نشان میدهند دو شکستی نامیده میشوند و ضریب شکست این مواد بر حسب رفتار عادی ، موج عادی و برحسب رفتار غیر عادی ، موج غیر عادی معرفی می شوند در نتیجه یک چهارم موج بین در پرتو عادی و غیر عادی موج اختلاف فاز نسبی 90 درجه ( رادیان) بوجود میآید و میدانیم که تغییر فاز 90 درجه نور بیضیوار را به نور خطی و برعکس تبدیل میکند و بدون داشتن دو مؤلفه نمیتوانید یک اختلاف فاز نسبی داشته باشید.
عملکرد تیغه یک چهارم موج
فرض کنیم که نور خطی با زاویه 45 درجه نسبت به هر یک از دو محور اصلی یک صفحه یک چهارم موج فرود آید مؤلفههای عادی o و غیرعادی e در آن دامنههای مساوی دارند تحت این شرایط ویژه یک تغییر فاز 90 درجه موج را به نور دایرهای تبدیل میکند. همچنین ، یک باریکه دایرهای ورودی به هنگام خروج قطبیده خطی خواهد بود.
جنس تیغه یک چهارم موج
صفحات یک چهارم موج معمولا از کوارتز میکا یا پلاستیک پلیمری آلی ساخته میشوند در !هر حالت ضخامت ماده دو شکستی باید طوری باشد که اختلاف راه نوری (4m+1) برابر ربع طول موج باشد ( … , m= 0 , 1 , 2
ساخت تیغه نیم موج توسط پلاستیک خانگی
میتوانید با استفاده از پلاستیک خانگی مخصوص پوشش غذا یعنی همان ماده کشیده شدهای که از غلتک باز میشود یک صفحه یک چهارم موج خام بسازید . این پلاستیک همانند سلوفان رشتههایی در امتداد طول دارد که با یکی از محورهای اصلی منطبق میشود حدود نیم دو جین از لایهها را روی هم بگذارید و مواظب باشید که رشتهها با هم موازی بمانند. پلاستیک را با زاویه 45 درجه نسبت به محورهای یک قطبی کننده قرار داده و آن را از داخل یک تجزیه کننده چرخان مورد بررسی قرار دهید در هر فاصله زمانی یک لایه اضافه کنید تا آنجا که با چرخش تجزیه کننده تابیدگی تقریبا ثابت بماند در آن وضعیت نور دایرهای و یک تیغه یک چهارم موج خواهید داشت.
تیغه موج تجارتی
تیغههای موج تجارتی توسط پس افت خطی آنها طراحی میشوند که باید مثلا 140 نانومتر برای یک تیغه یک چهارم موج باشد به این معنی که این وسیله یک قدرت بازدارندگی 90 درجه تنها برای نور سبز به طول موج 560 نانومتر دارد. پس افت خطی معمولا با آن دقت کامل بدست نمیآید ولی چندین در حدود 140 + 20 نانومتر بیشتر واقعی است. پس افت یک تیغه موج میتواند با کمی کج کردنش نسبت به مقدار مشخصش افزوده یا کاسته شود.
تیغه نیم موج
دید کلی
بسیاری از مواد بلورین از نظر نوری ناهمسانگردند یعنی خواص نوری آنها در امتدادهای درون یک نمونه مشخص یکسان نیست و یک ناهمسانگردی در درون بلور در یک ناهمسانگردی در ضریب شکست ظاهر میشود چنین موادی که دو ضریب شکست متفاوت از خود نشان میدهند دو شکستی نامیده میشوند. و ضریب شکست پرتو عادی و ضریب شکست پرتو غیرعادی نامیده میشود که پرتو عادی عمود بر محور نوری و با سرعت V<sub>1</sub> و پرتو غیر عادی موازی با محور نوری و با سرعت V<sub>ll</sub> حرکت میکند در تیغه نیم موج بین پرتو عادی و پرتو غیر عادی اختلاف فاز نسبی 180 درجه ایجاد میشود موج عادی قطبش دایرهای دارد در صورتیکه موج غیر عادی قطبش بیضوی دارد. پس سرعت حرکت موجها یکسان نخواهد بود.
عملکرد تیغه نیم موج
فرض کنیم که صفحه ارتعاش یک باریکه ورودی نور خطی زاویه اختیاری θ با محور سریع بسازد و فرض کنیم که ضریب شکست ماده منفی است یعنی V<sub>ll</sub>>V<sub>1</sub> و موج e (غیرعادی) سرعت بیشتر و طول موج بلندتری از موج o (عادی) دارد. هنگام خروج از تیغه یک تغییر فاز نسبی وجود خواهد داشت یعنی ( رادیان) با این اثر که E به اندازه 2θ خواهد چرخید آشکار میشود که یک صفحه نیم موج به همین ترتیب نور بیضیوار را وارونه خواهد کرد. <br><br>به علاوه این صفحه با تغییر راست به چپ و برعکس ، جهت چرخش نور دایره (عادی) و ن بیضویوار (غیرعادی) را وارونه خواهد کرد. به تدریج که موجهای e و o از طریق هر تیغه پس افتی به پیش میروند اختلاف فاز نسبی Δφ آنها افزایش مییابد و بنابراین حالت قطبش موج بتدریج از یک نقطه به نقطه دیگر صفحه تغییر میکند، آشکار است که اگر ضخامت ماده چنان باشد که اختلاف راه نوری مضرب فردی از نصف طول موج باشد این ماده مانند یک صفحه نیم موج عمل میکند.
انواع تیغه نیم موج
تیغه نیم موج از جنس کلیست
هر چند تصور رفتار کلیست ساده است ولی برای ساختن صفحات باز دارنده همیشه مورد استفاده قرار نمیگیرد. تراشههای نازک کلیست کاملا شکنندهاند و دستکاری آنها مشکل است. اما اشکال بیشتر مربوط به دو شکستی آن است یعنی اختلاف بین ne و no که اندکی بیشتر از اندازه مناسب است.
تیغه نیم موج از جنس کوارتز
کوارتز با دو شکستی بسیار اندرکنش کاربرد زیادی دارد، اما فاقد صفحات شکافت طبیعی است و باید آن را برید ، تراشید و جلا داد. بنابراین خیلی گران تمام میشود.
تیغه نیم موج از جنس میکا
برای ساخت تیغه نیم موج عموما از بلور میکا استفاده می شود میکا به شکلهای متعددی وجود داست که این مقصود را به نحوی برآورده میسازد. متداولترین نوع آن موسکویت قهوهای کم رنگ است این بلور به آسانی به مقطع های وسیع ، فوقالعاده نازک و بسیار انعطاف پذیر شکافته میشود. به علاوه دو محور اصلی آن تقریباً بطور دقیق موازی صفحات شکافتاند. کمینه ضخامت یک صفحه نیم موج میکا حدود 60 میکرون است.
تیغه نیم موج از جنس پلی وینیل الکل
این ورقهها طوری کشیده میشوند که مولکولهای زنجیرهای دراز مربوط به ساختمان آلی آنها هم خط شوند به علت وجود ناهمسانگردی آشکار الکترونهای داخلی ماده دارای نیروی بستگی یکسان در امتداد عمود بر راستای این مولکولها نیستند. از اینرو این قبیل مواد دائما دو شکستیاند، حتی اگر بلوری نباشند.
ساخت تیغه نیم موج توسط تیغه میکروسکوب
میتوانید با چسباندن نواری از کاغذ سلوفان معمولی (گلاسه) روی سطح تیغه میکروسکوب یک تیغه نیم موج نسبتاً دقیق بسازید محور سریع ، یعنی امتداد ارتعاش موج سریعتر با امتداد عرضی در عرض پهنای نوار متناظر است در حالیکه محور آهستهتر در طول آن است سلوفان این نوار را در خلال ساختن به شکل ورقههایی در میآورند و در این فرآیند مولکولهایش هم خط شده و به آن خاصیت دو شکستی میدهند.
قطبش(نور و موج)
مقد مه
نور یک نوع تابش الکترومغناطیسی است که از ترکیب دو میدان الکتریکی و مغناطیسی تشکیل یافته ا ست.تابش الکترومغناطیسی شامل میدان الکتریکی متغیر با زمان و میدان مغناطیسی متغیر با زمان میباشد که این دو میدان بر هم عمودند و موج درامتداد عمود برهر دوی آنها انتشار می یابد.
هر تک موج الکترومغناطیسی یک میدان الکتریکی ویک میدان مغناطیسی مشخص دارد ولی از آنجا که نور خالص وجود ندارد که فقط شامل یک طول موج باشد(ما همواره با گروه موج روبرو هستیم) لذا با میدانهای الکتریکی ومغناطیسی درجهتهای مختلف مواجه خواهیم بود.
میدان الکتریکی نور بزرگتر از میدان مغناطیسی آن میباشد وبیشتر خصوصیاتی که میدان الکتریکی دارد میدان مغناطیسی هم از آن تبعیت می کند و نیز چشم ما به میدان الکتریکی حساس است، از این رو ما در مبحث نور اغلب با میدان الکتریکی نور سر و کار داریم.
تعریف قطبش
میدان های الکتریکی امواج تشکیل دهنده به صورت اتفاقی در هر جهتی قرار می گیرند، لذا احتمال وجود میدان الکتریکی درتمام جهات یکسان خواهد بود.حال در مواردی لازم است که میدان الکتریکی را فقط در جهت خاصی داشته باشیم بنابراین باید به طریقی در جهات دیگر میدان را حذف کنیم وفقط آن یک جهت مورد نظر را داشته باشیم، این عمل قطبش نام دارد.البته بحث قطبش را در مورد عایق ها تحت عنوان قطبش عایق ها دنبال خواهیم کرد.
نوری که عمل قطبش را روی آن انجام داده ایم، نور قطبیده و وسیله ای که این عمل را با آن انجام داده ایم، قطبشگر نور می نامند.
انواع قطبش
قطبش را از لحاظ منحنیی که نوک پیکان میدان الکتریکی در صفحه مختصات رسم می کند و اختلاف فازی که دو مؤلفه ارتعاشی میدان الکتریکی باهم دارند، به دو دسته عمده تقسم می کنند که عبارتند از:
قطبش خطی ـ قطبش بیضیوار
قطبش خطی
اختلاف فاز بین مؤلفه های ارتعاشی میدان برابر (0 یا 180 درجه) می باشد و ارتعاش روی یک خط راست صورت می گیرد.و از ترکیب قطبش های دایروی راستگرد و چپگرد بوجود می آیند.
این نوع قطبش به نوبه خودش به لحاظ منحنی فضایی اش بصورت زیر دسته بندی می گردد:
• افقی
• عمودی
• مایل
• قطبش بیضیوار
در حالت کلی اختلاف فاز بین مؤلفه های ارتعاشی در قطبش بیضیوار هر زاویه ای می تواند باشد که ترکیب دو ارتعاش، منحنی بیضی به خود می گیرد این قطبش نیز به نوبه خودش بصورت زیر دسته بندی می گردد:
• قطبش دایروی:در طبیعت فقط این نوع قطبش را داریم که مؤلفه های ارتعاشیش عمود بر هم هستند و دامنه های ارتعاشات باهم برابرند و به لحاظ اختلاف فاز (90 یا 270 درجه) به دو دسته قطبش دایروی راستگرد و قطبش دایروی چپ گرد تقسیم می شوند.
• قطبش بیضوی:از ترکیب مناسب قطبش های دایروی راستگرد و چپگرد بوجود می آید که مؤلفه های ارتعاشیش عمودبرهم هستند و بر خلاف قطبش دایروی دامنه ارتعاشات برابر ندارد وبه لحاظ اختلاف فازی که دارند به دو دسته قطبش بیضوی راستگرد و قطبش بیضوی چپ گرد تقسیم می شوند.
موضوعات ویژه در قطبش
• قطبش خطی
• قطبش بیضوی
• قطبش دایروی
• کاربردهای قطبش
• پلاریمتری
تعریف قطبش خطی :
در قطبش خطی میدان الکتریکی ( یا میدان مغناطیسی ) موج ، در امتداد یک خط راست نوسان می کند، لذا باید اختلاف فاز بین مولفه های ارتعاش میدان 0 یا 180 درجه باشد. یعنی در این نوع قطبش ، موقعیت بردار میدان الکتریکی موج، زمانی که دامنه موج از یک مقدار بیشینه در یک جهت به یک بیشینه در جهت دیگر نوسان می کند، تغییر نمی یابد. به عبارت دیگر، در موج پلاریزه خطی راستای میدان تغییر نمی کند، کمیت متغیر اندازه میدان الکتریکی است که با فرکانس زاویه ای موج حول مقدار صفر نوسان می کند.
مفهوم قطبش خطی با ارائه مثال:
برای تفهیم بهتر قطبش خطی نور از مثال زیر کمک می گیریم :
هر گاه یک سر طنابی را به بالا وپائین حرکت دهیم، موج عرضی ایجاد می شود و هر نقطه از ریسمان یک نوسان سینوسی روی خط مستقیم انجام می دهد، لذا این موج را موج پلاریزه خطی می گویند، از آنجا که نوسان طناب در یک صفحه واقع است، آن را موج پلاریزه تخت نیز می نامند.
جابجایی این موج با رابطه (x( z ،t ) = a cos ( kz-ωt+φ نشان داده می شود که درآن ، x جابجایی ( درامتداد ارتعاش ) ، z امتداد انتشار ، a دامنه و (φ) ثابت فاز می باشد. این رابطه نشان می دهد که جابه جایی درهرلحظه یک منحنی کسینوسی خواهد بود.
حال یک شکاف باریک و بلند در مسیر طناب قرار می دهیم.
• اگر طول شکا ف در امتداد ارتعاش طناب باشد، دراین صورت طناب از داخل شکاف عبور کرده، در طرف د یگر با همان دامنه به مسیر خود ادامه می دهد.
• اگر طول شکاف بر امتداد ارتعاش طناب عمود باشد، تقریبا چیزی به طرف دیگر شکاف عبور داده نمی شود.
• اگر طول شکاف با امتداد ارتعاش زاویه دیگری بسازد، دامنه موج عبوری تغییر خواهد کرد. علت این امر آن است که شکاف فقط مولفه ای از جابجایی را از خود عبور می دهد که در امتداد طول شکاف باشد.
لازم به ذکر است که اگر موج طولی در امتداد طناب انتشار می یافت، دامنه موج عبوری در همه جهت های شکاف یکسان بود. بنابراین تغییر دامنه موج عبوری با تغییر امتداد شکاف ، ناشی از عرضی بودن موج است.
مفهوم قطبش خطی نور:
• می دانیم که نور( امواج الکترومغناطیسی ) از ترکیب میدان های الکتریکی و مغناطیسی تشکیل می شود. این دو میدان در راستای عمود بر هم ارتعاش می کنند و راستای ارتعاش هر دو بر راستای انتشار موج عمود است. لذا امواج نوری ، امواجی عرضی هستند. انجام آزمایش فوق ، در مورد نور ماهیت عرضی بودن موجهای نوری را ثابت می کند.
• حال نوسان طناب را که نمونه ای از قطبش خطی بود، در مورد نور غیر پلاریزه بسط می دهیم. هر گاه صفحه ارتعاش موج به صورت تصادفی در فاصله زمانهای بسیار کوتاه عوض شود، موج را موج غیر پلاریزه گویند. یعنی در این موج، میدان الکتریکی (یا مغناطیسی) در تمام جهات ارتعاش می کند.
• اگر موج غیر پلاریزه ای روی شکافی فرود آید، چون میدان الکتریکی در همه جهات مولفه دارد، لذا امتداد ارتعاشی که در راستای طول شکاف قرار دارد، ازشکاف عبور خواهد کرد و بدین ترتیب در طرف دیگر شکاف میدان الکتریکی فقط یک مولفه خواهد داشت، یعنی نور عبوری پلاریزه خواهد بود.
• در این مورد شکاف در هر جهتی قرار بگیرد، مولفه مربوط به آن امتداد عبور خواهد کرد و همواره موج عبوری وجود خواهد داشت. پس چرخش شکاف بر دامنه موج عبوری تاثیر نخواهد گذاشت.
