Double
26 May, 2012
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PDFRefraction
PRESENTATION: The Icelandic spar is a variety of transparent calcite where the birefringence or double refraction is observed clearly: any incident light rays splits perpendicularly in two rays linearly polarized perpendicularly between them. This last phenomenon can be analyzed with the rotation of a polarizer.
- Colored flag by double refraction, Bill Reid, Phys. Teach. 32, 38 (1994)
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Los materiales cristalinos pueden tener diferentes índices de refracción asociados con diferentes direcciones cristalográficas. Una situación común en los cristales minerales es, que tienen dos índices de refracción distintos y por ello se llaman materiales birrefringentes (doble refracción). La propiedad llamada birrefringencia tiene que ver con la anisotropía de las fuerzas de unión entre los átomos que forman un cristal.
El mineral calcita, también conocido como espato de Islandia, es un material ampliamente usado en la óptica debido a su birrefringencia. Esta es tan grande que un cristal de calcita colocado sobre un punto de una página, revelará dos imágenes distintas del punto, como se ve en el vídeo de la explicación. Una imagen permanecerá fija cuando se gire el cristal. A ese rayo a través del cristal se le llama “rayo ordinario” ya que se comporta como un rayo normal a través del cristal. Sin embargo, la otra imagen rotará con el cristal, trazando un pequeño círculo alrededor de la imagen normal. Este rayo es llamado “rayo extraordinario”.
En el siguiente enlace se puede observar la explicación gráfica.
Estos minerales se creen que eran conocidos por los vikingos que lo usaban para orientarse, ellos los llamaban piedra del sol. Usaban el sol para orientarse porque no siempre hay sol en las zonas donde ellos se movían, así que ellos usaban piedras birrefringentes para saber en que posición estaba el sol.
Aquí un documental sobre el tema.
Hay estructuras vivas que también presentan birrefringencia, como es el caso del nervio óptico. Su conocimiento ha permitido desarrollar una técnica, la polarimetría láser, para el diagnóstico del glaucoma. Esta enfermedad se produce por una pérdida de fibras del nervio óptico, que, por tanto, presentará un menor espesor. La polarimetría láser permite estimar el espesor de la capa de fibras del nervio a partir de cambios en la polarización de un haz láser proyectado sobre él, teniendo en cuenta su propiedad birrefringente.
Este fenómeno fue descubierto en 1669 por Erasmus Bartholinus, mientras que Christian Huygens se aproximó a él de una forma sistemática y lo explicó con la suposición de la transmisión de una onda secundaria elipsoidal, además de la principal de forma esférica.Durante esta investigación Huygens descubrió la polarización. Cada uno de los dos rayos emergentes de la refracción del espato de Islandia puede extinguirse haciéndolo pasar por un segundo cristal del mismo material rotado alrededor de un eje con la misma dirección que el rayo luminoso.
Por sus propiedades ópticas, la calcita es empleada para fabricar prismas ópticos polarizadores, como los Prismas de Nicol o Prismas de Glan-Thompson. Entre las aplicaciones de estos prismas están los microscopios de luz polarizada, que nos permiten caracterizar ciertos componentes microscópicos en función de su birrefringencia. Por ejemplo, en Reumatología son imprescindibles para caracterizar los distintos tipos de cristales que podemos encontrar en el líquido sinovial, como se explica en este artículo.
No vídeo pódese observar a propiedade de birrefrinxencia da calcita. É interesante apuntar que esta birefrinxencia aparecerá dependendo da dirección na que se propaga a luz sobre o material. Isto provoca que se nun papel debuxamos unha frecha vermella e, perpendicular a esta, unha raia negra veremos que unha das figuras duplicarase mentres a outra permanece inalterada. Para entender este fenómeno debemos prestar atención á estrutura molecular da calcita que está formada por grupos carbonatos (3 átomos de osíxeno formando un triangulo cun átomo de carbono no centro) e por átomo de calcio que se sitúan noutro plano, sobre o centro do triángulo de osíxenos. Cando a luz se propaga polo eixo óptico do cristal, liña imaxinaria que pasa polos átomos de calcio e que é perpendicular aos grupos carbonato, a imaxe non se duplicará. Neste plano a onda provocará que os electróns o campo eléctrico asociado vibre perpendicularmente a esa dirección (no plano dos átomos de carbono e osíxeno), como a distribución atómica neste plano é igual en todas as direccións, so presentará un índice de refracción. Cando a onda incide perpendicularmente ao eixo óptico, unha compoñente do campo eléctrico vibrará na dirección do eixo mentres que outra o fará no plano dos grupos carbonatos. A diferencia na distribución atómica de ambos planos dará lugar á existencia de dous índices de refracción distintos resultando na duplicación da imaxe.
La razón de este comportamiento está en la estructura molecular de la calcita (a pesar de que hay otros materiales que tienen este comportamiento como Turmalina, Cuarzo, Rutilo…). El grupo carbonato se compone de tres átomos de oxígeno y un átomo de carbono descansa en un mismo plano, con el átomo de carbono en el centro de un triángulo formado por los átomos de oxígeno. El átomo de calcio está en otro plano. Imaginando una línea que pasa por los átomos de calcio y que es perpendicular al grupo carbonato, a la cual llamaremos eje óptico del cristal, podemos ver que si una onda se propaga en la dirección del eje óptico, el campo eléctrico asociado vibra perpendicularmente a esta dirección, esto es, en el plano de los átomos de carbono y oxígeno. El campo se encuentra la misma distribución atómica en todas las direcciones, por lo que el cristal presentará un mismo índice de refracción en todas las direcciones. Sin embargo, si la onda incide perpendicularmente al eje óptico, una componente del campo eléctrico podrá vibrar en la dirección del eje óptico tendiendo a desplazar al átomo de calcio respecto del grupo carbonato, mientras que la otra componente del campo eléctrico vibra en el plano del grupo carbonato y tenderá a mover a este grupo de átomos cuyos enlaces son distintos que los que existen entre el calcio y el grupo carbonato. Ello conducirá a dos índices de refracción diferentes para cada componente de la onda.
Para ver el átomo un poco más claro dejo esta imagen.