Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

Чрезвычайно высокая чувствительность метода, сама по себе очень ценная, приводит к значительным экспери­ ментальным трудностям. Оптическая активность зависит от температуры, природы растворителя и т. и., а потому требует точного учета всех факторов.

В самые последние годы наряду с дисперсией оптиче­ ского вращения стало успешно применяться исследование спектров кругового дихроизма. Оба метода в принципе по­ могают решать одинаковые структурные задачи. Круговой дихроизм при этом имеет ряд принципиальных методи-

Рис. 49. Энантиоморфные формы кристаллов кварца

ческих преимуществ. До последнего времени применение этого метода сдерживалось техническими трудностями (например, необходимостью преобразования эллиптическо­ го света в линейный с высокой точностью). В последние годы разработана простая и надежная аппаратура и метод кругового дихроизма стал успешно и широко приме­ няться.

Кристаллы, способные вращать плоскость поляризации, обязательно энантиоморфны, т. е. существуют в виде пра­ вых и левых форм. Эти формы определяются зеркальным соответствием строения их решеток, что наглядно проявля­ ется в геометрической форме соответствующих монокрис­ таллов. Оптически активных кристаллов довольно много. Один из типичных примеров — кристалл кварца, зеркаль­ ные антиподы которого изображены на рис. 49.

Если кристалл не имеет естественной огранки, то опре­ делить, какой антипод он собой представляет, можно лишь по направлению вращения плоскости поляризации. В ряде случаев этот метод позволяет получить и важные данные о деталях строения кристаллической решетки. Однако основ­ ной оптический метод исследования кристаллов — это двой­ ное преломление.

Í05

Двойное преломление

Распространенность кристаллов в природе огромна.

все больше выращивается различных синтетических крис­ таллов.

Кристаллы находят широчайшее применение в технике. Поэтому так важны эффективные и тонкие методы исследо­ вания н анализа кристаллов. Двойное преломление света — одно из самых общих свойств кристаллов, естественно, что оно нашло широкое применение при их изучении.

По двупреломлешпо кристалла можно отождествить ве­ щество, пз которого состоит кристалл, определить степень его однородности и чистоты, выявить отсутствие пли нали­ чие примесей. С помощью зависимости двупреломлеиия от температуры можно исследовать полиморфизм кристаллов и определять температуры полиморфных переходов.

Круппые и высококачественные монокристаллы сравни­ тельно редко встречаются в природе, и искусственно их вы­ растить— непростое дело. Гораздо чаще приходится иметь дело с полукристаллическими материалами (т. е. с порош­ ками, состоящими пз микроскопических монокристаллов, или с кристаллическими конгломератами).

Поэтому главный инструмент кристаллооптических ис­ следований — это, как правило, поляризационный микрос­ коп. Он отличается от обычного наличием поляризатора под предметным столиком и анализатора — над ним. Поляриза­ тор и анализатор расположены иа оси микроскопа и могут вращаться вокруг этой оси независимо друг от друга, так что им можно придавать скрещенное, параллельное или лю­ бое другое положение. Вокруг этой же оси может вращать­ ся и предметный столик с образцом.

Исследуемые кристаллики помещаются непосредствен­ но на предметный столик. При исследовании горных пород, минералов, шлаков с помощью специальной методики шли­ фования изготавливаются тонкие препараты — так называ­ емые петрографические шлифы. Их толщина обычно не превышает 0,02—0,03 мм.

Шлиф иа столике расположен перпендикулярно осп микроскопа. Но так как чаще всего шлиф сделан не по заданной кристаллографической плоскости, а но случайлой,

106

то ориентация шлифа далеко не всегда бывает удобна для исследования. Поэтому необходимо иметь возможность ме­ нять ориентацию плоскости шлифа в пространстве.

Замечательным приспособлением для этой цели служит универсальный столик Федорова (рис. 50). Столик Федоро­ ва привинчивается к предметному столику микроскопа и позволяет вращать препарат не вокруг одной, а вокруг не­ скольких осей (четырех или пяти), пересекающихся в од­ ной точке. Шлиф помещается между двумя стеклянными полушариями (рис. 51). Исследуемая часть шлифа должна

Рис. 51. Схема полушаровых сегментов столика Федорова

1, 2 — верхний II пижпий стеклянные сегменты;

3 — шлиф; ‘1 — стеклянный кружок

столика Федорова

попасть в центр образуемой ими стеклянной сферы. Коэф­ фициенты преломления кристаллов обычно гораздо ближе к коэффициенту преломления стекла, чем к коэффициенту преломления воздуха. Поэтому преломление на границе шлиф — стекло очень мало, а далее лучи распространяются по радиусам сферы, следовательно, падают иа ее поверх­ ность нормально и выходят в воздух, практически ие пре­ ломляясь. Если бы пе было сферы, такое удобное положение было бы только в направлении, перпендикулярном шлифу. По всем остальным направлениям преломление лучей по

107

выходе пз шлифа в воздух затрудняло бы наблюдения и искажало их результаты.

Имея такой универсальный манипулятор для работы с микрокристаллами, исследователь может определить сим­ метрию кристалла, сингонию и класс, к которым он отно­ сится, и другие данные, в большинстве случаев однозначно определяющие вещество кристалла. Особенно широкое применение находят эти исследования в геологии и мине­ ралогии.

Из простейших наблюдении можно получить важные результаты. Так, исследование в монохроматическом све­ те между скрещенными нпколями позволяет определить, как ориентирован срез шлифа по отношению к кристал­ лографическим плоскостям и какова сингония кристалла. Так же легко обнаруживать двойниковое строение крис­ таллов по различию погасания отдельных моиокристаллических зерен в массе конгломерата. Для более точных ко­ личественных исследований применяются предварительно проградуированные компенсаторы. С их помощью можно измерить величину двупреломлеппя в исследуемых образ­ цах, а следовательно, толщину образцов. Качественно тол­ щину и природу шлифов (а часто этого вполне достаточ­ но) можно определить по видимой глазом интерференци­ онной окраске пластинки. Существуют подробные цветовые номограммы, позволяющие для большинства известных минералов определять толщину образца по интерференци­ онному цвету. А если толщина (или двупреломление) из­ мерена с помощью компенсатора, то номограмма поможет определить природу минерала. Это особенно важно в ми­ нералогическом экспресс-аиализе.

Важным методом может служить изучение копоскопических фигур одноосных и двуосиых кристаллов в сходя­ щемся пучке света. Так как коноскопические картины очень специфичны и характерны для кристаллов с разным двупреломлепием и разной ориентацией, то с их помощью можно определить ориентацию образцов и судить об их природе.

По изменениям двупреломления, интерференции, копоскопических картин, которые наступают при всяких иска­ жениях и нарушениях совершенства решетки, связанных, например, с механической деформацией кристаллов, мож­ но также судить о степени совершенства кристаллических решеток.

108

Глава V

ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ В ПРИРОДЕ

Оптическая анизотропия атмосферы и гидросферы

Существует яркий пример поляризации света в естествен­ ных природных условиях. Это поляризация дневного света неба. Причина этого явления — поляризация при молеку­ лярном рассеянии. Из-за поперечиости световых воли свет, рассеянный изотропными молекулами в направлении, пер­ пендикулярном первоначальному, линейно поляризован. Степень полярпзацип света голубого неба различна в раз­ ных точках небосвода (от 0 примерно до 80 % ). Если Солн­ це находится вблизи горизонта (на восходе или на закате), то наибольшей степень поляризации света синего неба бу­ дет па большом круге, плоскость которого проходит через зенит и перпендикулярна направлению на Солнце. Направ­ ление электрического вектора рассеянного света всегда нормально к плоскости, определяемой тремя точками: Солн­ це — наблюдатель — точка рассеяния. Следовательно, элек­ трический вектор горизонтален в зените и вертикален вблизи горизонта. Наименьшая поляризация, грубо говоря, соответствует направленням «иа Солнце» и «от Солица».

Состояние поляризации в различных точках небосвода зависит от положения Солнца, т. е. от времени дня. Каче­ ственное исследование распределения поляризации ио яс­ ному небосводу можно произвести с помощью поляроида или любого другого анализатора. Для более точных изме­ рений наиболее часто применяются полярископ Canapa или фотоэлектрические поляриметры.

На рис. 52 показан график азимутального распределе­ ния степени поляризации по большому кругу небосвода, проходящему через зенит и Солнце. Положительной счи­ тается поляризация с горизонтальным преимущественным направлением колебаний. Максимум поляризации пример­ но соответствует углу 90° от Солнца. Вблизи направления иа Солнце поляризация дважды меняет знак, проходя че­ рез нулевые значения. Это так называемые нейтральные

ИО

точки. Выше Солица расположена нейтральная точка Ба­ бине, а ниже — нейтральная точка Брюстера. Если Солн­ це очень близко к горизонту, нижней нейтральной точки не видно, но зато появляется другая нейтральная точка — точка Aparo на противоположной стороне небосвода. В направлении прямо на Солнце поляризация очень невели­ ка, ио имеет другой знак — преимущественное направле­ ние колебаний вертикально. Как правило, свет неба час­ тично линейно поляризован. Однако иногда удается об­ наружить небольшую эллиптическую поляризацию.

Рис. 52. Азимутальная зави­ симость поляризации псбосвода

Азимутальная зависимость, полученная для ясного неба экспериментально, хорошо совпадает с расчетной зависи­ мостью для молекулярного рассеяния. Если иа опыте об­ наруживаются отступления от этой зависимости, они ука­ зывают на присутствие рассеяния на облаках водяного па­ ра, аэрозолях и других включениях, создающих мутность атмосферы. Поляризация рассеянного света вообще очень хороший индикатор процесса рассеяния. Так, поляризация света, рассеянного облаками, всегда намного меньше, чем поляризация света, рассеянного ясным небом. Этим поль­ зуются, например, в фотографии, усиливая с помощью по­ ляроида контрастность облаков. Для цветной фотографии это единственный способ, так как желтыми и оранжевыми фильтрами пользоваться нельзя. Точно так же дым не поляризует рассеянный свет, что можно использовать для обнаружения иа фоне неба лесных пожаров с больших расстоянии. С помощью детальных поляризационных из­ мерений можпо исследовать загрязненность атмосферы аэрозолями.

111

Большое влияние иа поляризацию оказывает и состоя­ ние земной поверхности. Например, спежиый покров за­ метно ослабляет поляризацию небесного света. Поляриза­ ция может служить тонким методом изучения чистоты атмосферы, турбулеитпости воздушных масс, поэтому ее наряду с традиционными методами синоптики можно ис­ пользовать для прогнозирования погоды. Если, например, в ясную погоду уменьшается поляризация, значит, по не­ бу уже идут облака, по очень слабые, еще незаметные глазу. Иногда таким образом можно предсказать измене­ ние погоды значительно раньше, чем с помощью других методов. Этот метод может, например, служить для пред­ сказания приближения тапфуиов. Методом предсказания погоды может служить также измеиепие положепия на не­ бе нейтральных точек. Так, удаление их от Солнца — при­ знак устойчивой хорошей погоды, а приближение к Солн­ цу предвещает перемену погоды.

Большую научную и практическую пользу принесут исследования атмосферной поляризации со спутников и космических кораблей. В печати уже были сообщения об исследовании советскими космонавтами поляризации сол­ нечного света, отраженного атмосферой и земной поверх­ ностью, во время полетов космического корабля «Союз-8» и орбитальной станции «Салют».

Поляризация рассеянного света неба была использова­ на для создания поляризационного небесного компаса. Такой компас полезен на территориях, расположенных вблизи магнитных полюсов Земли, где непригодны обыч­ ные магнитные компасы. Поляризационный компас приме­ няется в дневное время, ио когда невозможно прямое на­ блюдение Солнца, например когда имеется значительная (но не сплошная) облачность или когда Солнце за горизон­ том (незадолго перед восходом или вскоре после заката). Поскольку распределение поляризации по небосводу од­ нозначно для данного времени дня, то ясно, что, найдя направление преимущественных колебаний в некоторой точ­ ке (например, в зените), можно определить истинное на­ правление иа север. Точность прибора порядка 2°.

Своеобразны поляризационные явления в сумерках. По­ ляризация света неба в зените при низком положении Солн­ ца иемоиотоиио зависит от его высоты. Она то возрастает, то убывает, причем по-разному в разные дни. Кроме того, с уменьшением высоты Солнца наблюдается «блуждание»

112

нейтральных точек. Причина этих явлений, по-видимому, в том, что во время сумерек происходит интенсивное пере­ распределение плотности в атмосфере, возникают потоки воздуха, меняется состояние ионосферы и т. д. Большее значение начинают также играть и процессы многократно­ го рассеяния света, не учитываемые в простейшей теории.

Не менее любопытны сведения о вращении плоскости поляризации на больших высотах, а также во время сол­ нечного затмения. Эти наблюдения относятся к областям вблизи нейтральных точек, где особенно велпка роль мно­ гократного рассеяния и различных вторичных эффектов. К сожалению, экспериментальные данные здесь пока очень немногочисленны и неполны.

Экспериментальные наблюдения показали, что ночью при лунном свете поляризация рассеянного небом света по распределению и свойствам аналогична поляризации днев­ ного неба (разумеется, аналогична по отношению к ночно­ му светилу).

Свет, рассеянный в толще морской воды, тоже сильно поляризован. Лучше всего наблюдать это явление в глу­ боких тропических морях, отличающихся чистотой воды. Через поляризатор можно заметить, что цвета воды в на­ правлении, перпендикулярном солнечным лучам, и в на­ правлении вдоль лучей различны. В первом случае это темный цвет иидпго, во втором — ярко-голубой. Дело в том, что во втором случае рассеянный свет' почти не по­ ляризован и не срезается поляризатором.

Наблюдения осложняются тем, что кроме света, рас­ сеянного в водной толще, мы наблюдаем еще и свет, отра­ женный от водной поверхности и также сильно поляризо­ ванный. Чтобы исследовать только поляризацию света в воде, надо проводить опыты под водой. Современное обо­ рудование аквалангистов позволяет это сделать. Экспери­ менты по измерению поляризации света, рассеянного в морской воде, на разных глубинах и по разным направле­ ниям производились в нескольких морях, в частности в Атлантическом океане и в Средиземном море. Как и сле­ довало ожидать, степень поляризации максимальна в на­ правлении, перпендикулярном видимому под водой на­ правлению на Солнце. Рассеяние света в море —это не молекулярное рассеяние, а рассеяние на частицах суспен­ зий, взвешенных в морской воде. При помощи поляриза­ ции дифференцируют различные водные массы и течения.

113