دانلود مقاله کریستالهای دوشکستی

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. 

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 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 قطبنده‌ای 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: 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.

اگر راستای ارتعاش فرودی ، موازی سطح باشد، پرتو بصورت پرتو غیر عادی می‌گذرد و مولفه عادی وجود نخواهد داشت.

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.

مقدار سرعت نور: 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 است 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