Лабораторная работа №1

МИКРОСКОП ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МП-3

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТРОПНЫХ И АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ

Цель работы: 1.Исследовать визуально изотропные и анизотропные среды в поляризованном свете на микроскопе МП-3 и определить показатель преломления стекла методом рисок по измерению вертикальных размеров объекта. 2.Научиться пользоваться программным продуктом видео захвата “ASUS Live 3000”. Получить с помощью компьютеризированной оптической приставки к микроскопу оцифрованное изображение поля зрения и измерить с помощью эталонного объект-микрометра горизонтальные размеры объекта.

Приборы и материалы: Микроскоп МП-3, механический микрометр, оптический объект микрометр, стекло, кальцит, слюда, видео приставка к микроскопу на ПЗС матрице, сопряженная с персональным компьютером.

Краткая теория

Аморфные тела и кристаллы.

Аморфными называются тела, физические свойства которых одинаковы по всем направлениям. Примерами аморфных тел могут служить куски затвердевшей смолы, янтарь, изделия из стекла. Аморфные тела являются изотропными телами. Изотропность физических свойств аморфных тел объясняется беспорядочностью расположения составляющих их атомов и молекул. Твёрдые тела, в которых атомы или молекулы расположены упорядочено и образуют периодически повторяющуюся внутреннюю структуру, называются кристаллами. Физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях. Это свойство кристаллов называется анизотропией. Анизотропия и изотропия имеют место по отношению к каким – либо конкретным физическим свойствам среды – механическим, оптическим, тепловым или электрическим. Анизотропия этих свойств кристаллов объясняется тем, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям пространственного объема тела. Обычно, анизотропные по отношению к какому-либо свойству, тела являются анизотропными и по другим свойствам. Однако есть и исключения. Например, оптически изотропный кристалл каменной соли (NaCl), где в узлах кубической решетки расположены отрицательные ионы хлора и положительные ионы натрия, обладает анизотропией по механическим свойствам: его механические свойства вдоль ребра и диагонали различны. Анизотропия среды может быть обусловлена как анизотропией молекул, составляющих ее, так и характером их взаимного расположения. Наличие или отсутствие анизотропии молекул среды однозначно ещё не предопределяет свойства данной среды. Можно привести много примеров, когда среда, состоящая из анизотропных молекул, является изотропной, или наоборот. Например, молекулы кислорода О₂, водорода Н₂ и другие анизотропны: их поляризуемость вдоль линии, соединяющей оба атома кислорода (или водорода) отлична от поляризуемости по направлению, перпендикулярному линии химической связи. Тем не менее, подобные газы не обнаруживают электрическую, а, следовательно, и оптическую анизотропию.

Кристаллические тела делятся на поликристаллы и монокристаллы. Монокристаллы иногда обладают геометрически правильной внешней формой, но главный признак монокристалла – периодически повторяющаяся внутренняя структура во всём его объёме. Поликристаллическое тело представляет собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов – кристаллитов. Каждый маленький монокристалл поликристаллического тела анизотропен, но поликристаллическое тело в целом изотропно.

Преломление света. Показатель преломления.

При падении пучка лучей на границу раздела двух

Рисунок 1.

прозрачных однородных сред 1 и 2 часть падающего света отражается под углом, равным углу падения i₁, другая же часть пересекает границу раздела и проходит через среду 2 в направлении, определяемом углом преломления i₂ по закону, установленному Снеллиусом ещё в начале восемнадцатого века. Согласно этому закону, отношение синусов углов падения i₁ и преломления i₂ есть величина постоянная для данной пары веществ

sin i₁ / sin i₂ = n₂₁ (1)

Константа n₂₁ называется относительным показателем (или коэффициентом) преломления второго вещества по отношению к первому.

Волновая теория света устанавливает простую связь показателя преломления со скоростью распространения световых волн в двух средах V₁ и V₂:

n₂₁= V₁/V₂ (2)

Закон преломления (1) может быть получен в лучевой, волновой и корпускулярной (квантовой) теории света.

Показатель преломления вещества относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления. Из формулы (2) следует, что абсолютный показатель преломления вещества n равен отношению скорости света в вакууме С к скорости света в веществе V:

n = С/V (3)

Относительный показатель преломления n₂₁, согласно (2) и (3), равен отношению абсолютных показателей преломления веществ 1 и 2:

n₂₁ = n₂/n₁ (4)

Закон преломления (1) можно записать в форме, называемой формулой Снеллиуса:

n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂

При измерении показателей преломления жидких и твёрдых тел обычно определяются их относительные показатели преломления по отношению к воздуху лабораторного помещения. Показатели преломления по отношению к воздуху в рефрактометрии часто называются просто показателями преломления и обозначаются буквой N. Абсолютные показатели преломления обозначаются буквой n. Соотношение между N и n, согласно определению этих величин и формулой (4), следующее:

n_{вещества} = N n_{воздуха} (5)

Показатель преломления вещества определяется его природой, но зависит также от внешних условий, главным образом от температуры и от длины волны света (дисперсионная зависимость).

У оптически анизотропных веществ, к которым относится большинство кристаллов (кроме кристаллов кубической системы), наблюдается двойное лучепреломление – расщепление преломленного луча на два луча, распространяющихся с разными скоростями и , следовательно, имеющих разные показатели преломления.

Определение показателей преломления оптически анизотропных веществ широко используется для идентификации минералов. Лучи, отражённые от границы раздела, также несут информацию о показателях преломления в соответствии с законами френелевского отражения. Соотношение между n₁ и n₂ влияет на интенсивность отражённых лучей, их поляризацию и сдвиг фазы. Все эти свойства отражённого света зависят также от направления и поляризации падающих на границу раздела лучей.

Преломление и отражение света сильно поглощающими средами может быть описано теми же соотношениями, что и для непоглощающих сред, но с введением комплексного показателя преломления n. Комплексный показатель преломления n состоит из действительной части – показателя преломления n и мнимой части – показателя поглощения k:

n = n - ik (6)

При этом показатель преломления тесно связан с поглощением света общими дисперсионными соотношениями.

Изменение механической плотности вещества всегда сопровождается изменением его показателя преломления. Обычно при увеличении плотности увеличивается и показатель преломления. Показатель преломления является субъективной оптической константой конкретного вещества и его характеристическим идентификационным параметром. Численное значение показателя преломления и его дисперсионная зависимость являются паспортом вещества и его «отпечатками пальцев», по которым можно проводить идентификацию веществ, в том числе и в экологических экспертизах.

Поляризация волн.

Поперечные волны различной природы обладают одним общим свойством, которым не обладают продольные волны - свойством поляризации.

Плоскополяризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания происходят в одной плоскости.

Устройство, выделяющее из всех возможных электромагнитных колебаний, колебания происходящие в одной плоскости, называется поляризатором или поляроидом. Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации волны, называется анализатором.

Интенсивность светового пучка, проходящего через систему поляризатор–анализатор, зависит от их взаимной ориентации. При одинаковой ориентации поляризатора и анализатора свет проходит через систему без ослабления по поляризации. Если же анализатор повернут на 90 градусов от первоначального не скрещенного с поляризатором положения, то свет через систему не проходит. Это явление имеет объяснение, если допустить, что свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. При прохождении через поляризатор происходит селекция света по поляризации, то есть он пропускает только такие волны, в которых колебания вектора Е напряжённости электрического поля совершаются в одной плоскости. Эта плоскость называется плоскостью колебаний. Перпендикулярная ей плоскость называется плоскостью поляризации. Если плоскость, в которой пропускаются колебания анализатором, совпадает с плоскостью поляризации поляризатора, поляризованный свет проходит через анализатор без ослабления. При повороте анализатора на 90 градусов поляризованный свет не проходит через систему.

Явление поляризации света доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.

При прохождении плоскополяризованного (линейно поляризованного) света в анизотропной среде его распространение происходит с двумя различными фазовыми скоростями, соответствующими двум взаимно перпендикулярным направлениям колебаний.

Рассмотрим распространение света в одноосном кристалле в направлении, перпендикулярном оптической оси. Возьмём плоскопараллельную кристаллическую пластинку. Падающий нормально пучок света распространяется в пластинке в прежнем направлении. Однако состояние поляризации света при прохождении через пластинку изменяется: если падающий свет поляризован линейно, прошедший свет в общем случае поляризован эллиптически. Изменение поляризации легко понять, если падающую волну разложить на две составляющих, в одной из которых вектор Е параллелен оптической оси, в другой перпендикулярен. Оказывается, что эти составляющие распространяются с разными скоростями и при прохождении через пластинку между ними возникает сдвиг по фазе.

Обозначим n₀ показатель преломления для волны, в которой вектор Е перпендикулярен оптической оси, n_e– для волны, в которой вектор Е лежит в плоскости, содержащей оптическую ось и направление распространения волны. Этим волнам с ортогональными направлениями поляризации соответствуют различные фазовые скорости V₀ = c/n₀ и V_e = c/n_e. Пусть на пластинку падает линейно поляризованная волна. Тогда на входе обе волны имеют одинаковую фазу. Разность их фаз  на выходе из пластинки зависит от ее толщины d:

=(/c)(n₀ – n_e)d= (7)

Если , т.е. , то прошедшая волна остается линейно–поляризованной в той же плоскости, что и падающий свет. Если , т.е. , то свет вышедший из пластинки, остается линейно–поляризованным, однако, направление колебаний вектора Е будет ортогонально первоначальному направлению входящего света.

Чтобы с помощью кристаллической пластинки можно было получить свет круговой поляризации, разность фаз должна быть равна т.е. . Свет круговой поляризации получается при условии, что плоскость поляризации падающей волны составляет угол с оптической осью пластинки.

В общем случае при сложении двух ортогональных поперечных колебаний получается эллиптическая поляризация. Вид и ориентация эллипса зависят от отношения амплитуд ортогональных колебаний, а также от разности фаз между колебаниями .

Принцип действия и описание микроскопа МП-3.

Рисунок 2.

Поляризационный микроскоп состоит из штатива А (рис. 2) с тубусом Б, в котором помещаются верхний николь-анализатор В и линза Г, применяемая для изучения явлений поляризации в сходящемся свете (линза Бертрана). Анализатор В и линза Г могут выдвигаться из прорезей тубуса. В тубусе имеется также и третья прорезь Д, служащая для введения компенсатора (кварцевый клин) в оптическую систему микроскопа. Тубус можно поднимать и опускать грубо при помощи винта Ж и тонко микрометрическим винтом З. Перемещение последнего отсчитывается по делениям, нанесенным на головке винта. Одно деление соответствует перемещению тубуса на 0,001 мм. Для удобства штатив можно ставить в любое наклонное положение, закрепляя его соответствующим винтом Ф.

Объектив У зажимается в пружинные щипцы Х, захватывающие своей вилкой шпенек на кольцо объектива. В этом же кольце имеется приспособление для центрировки объектива.

Объектив считается центрированным, если середина креста окуляра совпадает с осью вращения предметного столика И, на котором помещается исследуемый объект, рассматриваемый глазом в окуляр Т.

Столик может вращаться, вокруг своей оси, причем угол поворота отсчитывается по лимбу на краю столика; достаточная точность отсчета 1. Сбоку находится винт К, позволяющий закреплять предметный столик неподвижно. На столике находятся лапки Л, служащие для закрепления объекта на столике.

Осветительная система, находящегося под столиком, состоит из зеркальца (плоского и вогнутого) М, поляризатора Н с осветительной линзой и диафрагмой О и сменного конденсора П с апертурой 0,5–1,3. Для получения сильно сходящегося пучка света выше конденсора П вводится при помощи рычажка дополнительный конденсор – линза Лазо (на рис. не показана). Винт С служит для закрепления поляризатора в требуемом положении для наблюдений в скрещенных и параллельных николях. Вся осветительная система опускается с помощью винта Р и этим же винтом может выть отведена в сторону.