שבירה כפולה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
קלציט בעל שבירה כפולה

שבירה כפולה היא תופעה אופטית שבה קרן אור שעוברת דרך חומר מתפצלת לשתי קרניים בעלות קיטובים ניצבים. תופעה זו מתרחשת בגבישים בעלי סימטריה נמוכה, בחומרים אמורפיים תחת מאמץ ובחומרים לא איזוטרופיים. התופעה אינה מתרחשת בחומרים איזוטרופיים.

החוק הפיזיקלי המתאר את האופן שבו קרן אור עוברת בחומר נקרא חוק סנל. על פי חוק זה לכל חומר יש מקדם שבירה שעל פיו נקבע כיוון ההתקדמות של קרן האור שעוברת בחומר. חוק סנל תקף רק עבור חומרים איזוטרופיים. בחומרים שבהם יש שבירה כפולה, קרן אור שעוברת דרך החומר מתפצלת לשתי קרניים. חוק סנל מתקיים עבור אחת הקרניים, הנקראת הקרן הרגילה, ואינו מתקיים עבור הקרן השנייה, הנקראת הקרן הבלתי רגילה. מתברר שכדי לתאר את האופן שבו קרן אור עוברת בחומר כזה צריך יותר ממקדם שבירה אחד. באופן כללי ביותר צריך שלושה מקדמי מספרים, הנקראים מקדמי השבירה העיקריים. לחומרים שבהם שלושת מקדמי השבירה העיקריים שונים זה מזה קוראים דו-ציריים, לחומרים שבהם שני מקדמי שבירה העיקריים שווים זה לזה ושונים מהשלישי קוראים חד-ציריים, ואילו החומרים שבהם שלושת מקדמי השבירה העיקריים שווים הם החומרים האיזוטרופיים.

דוגמאות:

  • גביש איזוטרופי - מלח
  • גביש חד-צירי - קלציט
  • גביש דו-צירי - נציץ (מיקה)
  • חומר לא איזוטרופי שאינו גביש - שקף משרדי, צלופן
  • חומר איזוטרופי שאינו גביש - זכוכית

בגבישי שבירה כפולה מהירות ההתקדמות של כל אחת מן הקרניים בתוך החומר תלויה בכיוון ההתקדמות ובקיטוב של הקרן הנכנסת. מקדם השבירה הוא היחס בין מהירות האור בריק למהירות האור בחומר. לכן ניתן לומר שמקדם השבירה בגביש שבירה כפולה תלוי בכיוון ההתקדמות ובקיטוב של האור ביחס לגביש. הציר האופטי של גביש שבירה כפולה הוא כיוון ההתקדמות עבורו לכל כיווני הקיטוב יש אותה מהירות. בגביש דו-צירי יש שני כיוונים כאלו, ובגביש חד-צירי יש כיוון אחד כזה.

גבישי שבירה כפולה משמשים בתעשיית האופטיקה לייצור רכיבים אופטיים שונים כגון: לוחיות גל, מקטבים מסוגים שונים, מסנני צבע ועוד. כמו כן תופעת השבירה הכפולה משמשת כלי לאיתור מאמצים בחומר, [1].

התלות של מקדם השבירה בכיוון ההתקדמות ובקיטוב מתוארת באמצעות בניה גאומטרית הנקראת אליפסואיד האינדקסים של פרנל: לכל חומר מתאים אליפסואיד, שלושת הצירים של האליפסואיד הם באורך של שלושת מקדמי השבירה העיקריים המתאימים לחומר, והאוריינטציה שלו קשורה לאוריינטציה של הגביש. כדי למצוא את מקדם השבירה עבור כיוון התקדמות,  \vec k, מסוים וכיוון קיטוב מסוים,  \vec e של האור צריך למצוא את המישור הניצב לכיוון ההתקדמות של הקרן העובר דרך מרכז האליפסואיד. החיתוך של מישור זה עם האליפסואיד יוצר אליפסה. אינדקס השבירה המתאים לכיוון התקדמות זה הוא האורך של קו ממרכז האליפסה לשפתה בכיוון המקביל לכיוון הקיטוב, \vec e, של האור.

במקרה המיוחד בו אליפסת החיתוך היא מעגל, נקבל כי לכל כיווני הקיטוב יש אותה מהירות. באליפסואיד כללי יש שני צירים עבורם אליפסת החיתוך היא מעגל, ובאליפסואיד סבוב שני הצירים הללו מתלכדים, ואליפסת החיתוך היא מעגל עבור המישור הניצב לציר הסבוב של אליפסואיד הסבוב. ניתן לראות כי גביש דו-צירי מתואר על ידי אליפסואיד כללי, גביש חד-צירי מתואר על ידי אליפסואיד סבוב ועבור גביש איזוטרופי אליפסואיד האינדקסים מתנוון לכדור.