7.6.Избирательное отражение света холестериками
Важнейший оптический эффект, наблюдаемый в холестерической жидкости, заключается в избирательном отражении света слоем холестерика. Холестерические плоскости, как и обычные кристаллические плоскости, могут отражать падающие на них волны. Волны, отражённые разными плоскостями, могут при интерференции, и ослаблять, и усиливать друг друга. Если свет падает перпендикулярно плоскостям, то условие усиления таково: между соседними эквивалентными плоскостями должно укладываться строго пол волны падающего света. Мы хотим, чтобы колебания, отражённых от первой и второй плоскостей, проходили в одинаковых фазах, то есть значение электрического поля Е в каждой точке и в любое время были одинаковы. При этом амплитуда Ео обеих волн складываются - происходит усиления света. Так будет если волна 2 (рис64,б), вошедшая в кристалл, на пути от первой ко второй плоскости и обратно отстанет от волны 1 ровно на длину волны λ. Но в холестерике такие плоскости находятся на расстоянии h/2 друг от друга. Поэтому условие усиления в данном случае есть h/2=λ/2, или h=λ.
Свойство холестерика отражать свет с избранной длинной волны (h=λ) обуславливает соответствующую окраску вещества, которая зависит от шага холестерической спирали. А шаг спирали очень сильно зависит от температуры. Обычно вещество при высокой температуре (в изотропном состоянии) бесцветно, затем, в момент перехода в холестерик (при меньшей температуре), синеет и при дальнейшем понижении температуры последовательно приобретает все цвета спектра, от синего до красного. Это означает, что по мере охлаждения холестерической жидкости шаг спирали увеличивается, а при нагревании - уменьшается. Такое поведение холестерической спирали нетрудно объяснить.
В силу особенностей взаимодействия молекул с отростками оси n1 и n2 не могут образовать между собой слишком малый угол. Но с повышением температуры в результате тепловых колебаний молекул в каждом нематическом слое увеличивается разброс молекулярных ориентаций относительно выделенного направления n. Оси отдельных молекул в нематическом слое оказываются не параллельными выделенному направлению n. Поэтому при нагревании угол между осями n1 и n2 соседних слоёв должен увеличиваться, чтобы тепловые колебания не приводили к критическому угловому сближению молекул. Увеличение угла α, характеризующего закручивание осей n в пространстве, и вызывает уменьшение шага холестерической спирали по мере увеличения температуры.
Выше описанное явление лежит в основе широкого применения холестериков в качестве простых и эффективных термоиндикаторов для медицинской диагностики, отыскания повреждений в сложных электронных схемах, контроля температурного поля в лопатках турбин и т. п. Сейчас синтезированы холестерические вещества, в которых весь спектр цветов, от красного до синего, наблюдается при изменении температуры всего на 0,01 градуса, что говорит о большой чувствительности устройств на их основе. Шаг холестерической спирали также очень чувствителен к содержанию примесей в холестерике, и поэтому эти вещества могут служить надёжными индикаторами загрязнений в атмосфере.
Нематические жидкости нашли широкое применение и в совсем другом плане. Оказывается, полимерные нити, получаемые из хорошо ориентированного нематического раствора полимерных молекул, приобретают огромную прочность. Это объясняется тем, что в таких нитях практически все молекулы хорошо «подогнаны» друг к другу, то есть их главные оси параллельны между собой, а это многократно усиливает межмолекулярные сцепления. Такие полимерные нити служат прекрасным средством упрочнения самых ответственных узлов в механизмах, машинах и аэрокосмических конструкциях, работающие при очень высоких температурах и нагрузках.
7.7 Оптические свойства.
В 1669 году ученый Э.Бартолин сообщил о своих опытах с необычными прозрачными кристаллами, привозимыми моряками из Исландии. Он обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча. Так было обнаружено явление двойного лучепреломления. Через 20 лет Х. Гюйгенс исследовал свойства исландского шпата и дал объяснение этого явления на основе волновой теории света. Он вёл понятие оптической оси кристалла, превращение вокруг которой отсутствует анизотропия. Дальнейшие исследования Гюйгенса подвели к открытию явления поляризации света. Французские физики Э.Маллюса-Брюсса в 1808 году, опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона ввели понятия – поляризованный свет. Для исследования электромагнитной волны с определённой волной используют поляризатор. В их роли выступает тот же кристалл исландского шпата или турмалина.
Для исследования строения кристаллов используют явления дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Длина волны рентгеновского излучения соизмерима с межатомными. Если на кристалл направить рентгеновские лучи, то возникнет дифракционная картина, которую в 1912 году наблюдал Лауэ.
VIII. ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Проведём эксперимент по выращиванию кристаллов из пересыщенного раствора путём охлаждения зимой.
Приготовим насыщенный раствор, и в домашних условиях будем выращивать кристалл из каменной соли:
1. Нагреем воду до кипения и выльем 1 литр воды в ёмкость и растворим 2 кг соли.
2. Отфильтруем раствор.
3. Остудим раствор до комнатной температуры(15°С), где после остывания будет находиться 100 г избыточного количества соли.
4. Из соли выберем самый большой и прозрачный кристалл, прикрепим к искусственной ёлке.
5. Опустим эту ёлочку в наш раствор. И исследуем.
Рассмотрим такую таблицу:
| дни | Температура °С | Кол-во воды в л. | наблюдения |
| 1 день | 15 | 0,9 | Появились кристаллики на верхушке елки. |
| 2 день | 15 | 0,8 | Кристаллики появляются ещё в некоторых местах. |
| 3 день | 10 | 0,8 | Кристаллизация прекратилась. |
| 4 день | 10 | 0,75 | кристаллизация не наблюдалась |
| 5 день | 10 | 0,7 | Кристаллизация началась с верхушки. |
| 6 день | 15 | 0,6 | Интенсивно началась кристаллизация. |
| 7 день | 15 | 0,65 | Кристаллизация началась сверху вниз. |
| 8 день | 20 | 0,55 | Начался кристаллизоваться низ елки. |
| 9 день | 20 | 0,45 | Отчетливо видны кристаллики. |
| 10 день | 20 | 0,3 | Вся елка была в кристаллах. |
| 11 день | 20 | 0,2 | Кристаллики стали увеличиваться. |
| 12 день | 15 | 0,2 | Кристаллизация прекратилась. |
| 13 день | 15 | 0,15 | Кристаллики начали увеличиваться, но незначительно. |
| 14 день | 15 | 0,1 | Кристаллизация почти прекратилась. |
| 15 день | 15 | - | Кристаллизация прекратилась. |
Теперь проведём такой же опыт летом с медным купоросом. 200мл воды добавим 350г медного купороса. При температуре 25°С кристалл вырос за сутки.
Можем сделать вывод, что растворимость любах веществ зависит от температуры. Растворимость с повышением температуры увеличивается, а с понижением – уменьшается.
Но так как эти опыты проводились в лабораторных условиях, то кристаллики были с дефектами. Для создания более совершенных кристаллов, необходимо обеспечить другие условия, такие как: повышенную температуру, определённую влажность и давление.
КРИСТАЛЛЫ В ЖИЗНИ
Оптика. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.
Диэлектрики. Один из способов контроля ответственных деталей механизмов и машин – ультразвуковая дефектоскопия. Главный элемент УЗД дефектоскопа – кварцевая пластинка. Отраженная дефектом звуковая волна создает переменное электрическое поле (Эффект Холла). Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы – основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.
Сегнетоэлектрики. Кристаллические вещества, обладающие уникальными свойствами, например, способностью к самопроизвольной электрической поляризации, которая может возникать даже в отсутствии внешнего поля. Впервые это свойство было обнаружено И.В. Курчатовым и П.П.Кобяко при исследовании кристаллов сегнетовой соли (NaKC4H4O6*4H2О). Сегнетоэлектрики характеризуются анизотропией. Температура, ограничивающая область сегнетоэлектрических свойств – точка Кюри. Причина таких свойств сегнетоэлектриков – взаимодействие входящих в них кристаллы молекул приводит к самопроизвольной поляризации диэлектриков. Важное практическое значение - емкость конденсатора пропорциональна ε диэлектрика, помещенного между обкладками. Поэтому используя диэлектрик с большой ε можно получить малогабаритные конденсаторы. В технике применяют сегнетоэлектрические конденсаторы на основе титаната бария, у которого точка Кюри примерно 133°С, диэлектрическая проницаемость ε примерно равна 6000 – 7000.