OSSERVAZIONI AL POLARIZZATORE

Se sommiamo al fascino morfologico dei cristalli di quarzo alcune caratteristiche ottiche legate alla sua intima struttura, otteniamo il risultato di rendere tali solidi un poco più misteriosi e affascinanti, oltre a permetterci semplici indagini cristalline . Con una modesta attrezzatura casalinga potremo facilmente fare le osservazioni sulle proprietà della luce e le sue modifiche causate dall'edificio cristallino del quarzo .

Il quarzo appartiene alla classe uniassica birifrangente. Questo ci indica che un raggio luminoso, entrando nel reticolo cristallino perpendicolarmente all'asse ottico, si scinde in due raggi polarizzati fra loro ortogonali. Essi si propagano con velocità diverse nelle diverse direzioni del cristallo.
Il reticolo è costituito da molecole disposte in una struttura multipla elicoidale allungata e riunita in fasci paralleli all'asse ottico .

Questo ci suggerisce che la non omogeneità della struttura è la diretta responsabile della non omogeneità della trasmissione del raggio luminoso attraverso il cristallo di quarzo. Infatti le varie direzioni nel cristallo modificheranno la velocità del fronte d'onda e cambieranno la velocità di propagazione dei colori che la compongono.

Tale premessa ci aiuterà a capire perchè una ipotetica sorgente puntiforme di luce monocromatica posta al centro del cristallo di quarzo emetterà luce che si diffonderà con modalità e velocità diverse nelle varie direzioni a causa delle diversità strutturali incontrate .
Si formerà un fronte d'onda ovale formato dalla compenetrazione di due fronti di luce polarizzata vibranti su piani ortogonali , di cui uno è sferico (raggio ordinario) e l'altro è ellissoidale e contenente il primo fronte(raggio straordinario) con l'asse maggiore rivolto nella direzione dei vertici del cristallo di quarzo.

Sezione schematica di un ipotetico cristallo di quarzo (il fronte d'onda ordinario è in grassetto,quello sottile è straordinario ). La struttura è simbolicamente rappresentata come un fascio di molecole allungate e ordinate secondo l'asse ottico .-A) la luce sorge dall' esagono,- B) da uno dei romboedri principali "r"o"z". -C) esce nella direzione dell'asse ottico . A) Un raggio ordinario di luce bianca che si propaghi perpendicolarmente esce diviso in due fronti polarizzati ortogonalmente fra di loro alla stessa velocità; se ne potrà estinguere uno solo. Un raggio ordinato polarizzato che incida perpendicolarmente esce non modificato e può essere estinto all'analizzatore . B) Un raggio ordinario (non polarizzato )sarà diviso in due e formerà una immagine doppia , una di queste potrà essere estinta alternativamente al ruotare dell'analizzatore , un raggio polarizzato sarà anch'esso diviso in due e si avrà estinzione alternativamente . C) Un raggio polarizzato attraversando il cristallo parallelamente all'asse "C" sarà scisso nei suoi colori che creeranno fronti d'onda che viaggeranno a diversa velocità e diversa rotazione specifica.Questo provocherà colori che cambieranno al ruotare dell'analizzatore .Un raggio di luce bianca non polarizzata per il sommarsi delle componenti uscirà inalterata .

Un raggio polarizzato di luce monocromatica , che attraversi una sezione di cristallo di quarzo nella direzione dell'asse ottico; verrà ruotato verso destra o verso sinistra secondo il senso di rotazione della struttura cristallina (polarizzazione rotatoria )Tale rotazione sarà proporzionale allo spessore della sezione in esame e sarà determinata dalla lunghezza d'onda utilizzata nel raggio incidente .Se ne potrà misurare sia la rotazione che il senso del raggio polarizzato , ruotando l'analizzatore fino a riottenere l'estinzione .

La luce rossa polarizzata passando da una sezione di cristallo di quarzo ruota di 20° per ogni millimetro di spessore della sezione, la luce azzurra di ben 50° per ogni millimetro ! (Vedi a lato disegno esplicativo).

COLORI DI POLARIZZAZIONE

Se osserviamo un raggio di luce bianca polarizzata attraverso una sezione di cristallio di quarzo (nelle stesse condizioni, cioè attraverso l'analizzatore), al suo emergere noteremo vistosi colori di interferenza che varieranno al ruotare dell'analizzatore. Questo fenomeno è causato dalla diversa rotazione subìta dai singoli colori componenti la luce all'interno del cristallo di quarzo e dalla conseguente estinzione selettiva al loro emergere .

Sequenza di colori ottenuti da una sezione lucidata di un cristallo di quarzo geminato del Brasile . Tornadri (SO) mm 17.	Il colore dello sfondo ci mostra la posizione dell'analizzatore; il colore nero indica le lamine in estinzione a 90°fra loro.

I colori osservati varieranno perciò con il variare della posizione dell'analizzatore . Se adagiamo fra due polarizzatori incrociati un cristallo di quarzo o una sezione di forte spessore parallela all'asse ottico e li facciamo ruotare su un ipotetico asse ortogonale, ai filtri polarizzatori osservaremo l'estinzione dei raggi emergenti ogni 90° di rotazione del cristallo o della sua sezione .(vedi foto a lato)

Questo avviene perchè i raggi ordinati emergenti dal polarizzatore che siano trasversali o paralleli all'asse ottico , possono entrambi passare inalterati nel cristallo, permettendone l'estinzione all'analizzatore . Viceversa se il fascio polarizzato attraversa il cristallo diagonalmente ( il massimo si avrà a 45° ), verrà diviso dal reticolo cristallino in due componenti polarizzate ortogonalmente , una di queste necessariamente passerà inalterata dall'analizzatore illuminando il cristallo di quarzo.

E' intuitivo che la quantità di luce che attraversa l'analizzatore, sarà massima quando l'asse ottico è a 45° dall'asse di polarizzazione .

Allo stesso modo se poniamo una sfera di quarzo lucidata fra due polarizzatori in estinzione ( a 90° ) e la facciamo ruotare , potremo riconoscerne l'asse ottico quando vedremo nell'analizzatore una croce centrata verso l'osservatore. Nella direzione trasversale all'asse avremo bande di estinzione e bande luminose ogni 90°.

 

Schema del fenomeno della formazione della croce di estinzione. Il fondo a linee simboleggia la luce polarizzata estinta all'analizzatore, la croce più chiara i raggi che attraversano la sfera in diagonale e sono scissi in due fronti d'onda polarizzati ortogonalmente fra di loro ed uno di essi necessariamente passerà inalterato .	Sfera di quarzo lucidata vista lungo l'asse ottico fra polarizzatori. La parte estinta è data dalle zone di attraversamento dei raggi polarizzati inalterati , le parti chiare sono i raggi scissi in due fronti d'onda polarizzati a 90°. (L'immagine è realizzata in sovraesposizione per rendere i cerchi e i colori di interferenza pressochè invisibili)

 

Ciò è causato dalle caratteristiche precedentemente elencate ossia, avendo centrato la sfera sull'asse ottico, si noterà la croce nera di estinzione causata dai raggi passati inalterati attraverso la sfera ed estinti dall'analizzatore. Invece nelle direzioni diagonali alla croce si avranno zone luminose perchè la luce polarizzata, attraversando il mezzo in diagonale, è scissa in due fronti fra loro polarizzati ortogonalmente e quindi uno di essi passerà necessariamente dall'analizzatore.

SCRUTANDO.....LA SFERA DI CRISTALLO

Se osserviamo una sfera ottenuta da quarzo cristallo, lucidata con il proposito di mettere in evidenza altri fenomeni oltre alla croce di estinzione, potremo scoprire il senso del cristallo da cui è stata ricavata la sfera e scoprire anche in una sezione di cristallo lucidata quale delle due porzioni è destra e quale è sinistra senza ricorrere alla corrosione ed ai punti di luce, facendo ricorso invece alle spirali di Airy .Vediamo a lato innanzitutto cosa mostra una sfera lucidata di quarzo di senso sinistro vista attraverso i polarizzatori .

L'esempio sopra riportato è valido anche per una sfera di quarzo di senso destro .Tenendo ben presente che il fenomeno sarà speculare al primo, si avrà un ordine di estinzione dei colori simile ma si dovrà ruotare l'analizzatore in un senso contrario. .

Se appoggiamo la stessa sfera lucidata su una sezione di cristallo lucidato geminato del Brasile, potremo determinare il senso di rotazione delle due porzioni.

Nella geminazione del Brasile le due porzioni cristalline del quarzo hanno la superficie di geminazione secondo i romboedri , ne consegue che in una sezione trasversale all'asse "C" il punto di contatto dei gemelli è diagonale rispetto alle due superfici parallele della sezione ; spostando la sfera di quarzo sulle porzioni geminate nei punti di contatto(dove le porzioni si sovrappongono), al centro della sfera si disegnerà una specie di "svastica" a quattro braccia con le code verso destra se la porzione a contatto è destra o verso sinistra se la porzione è di senso sinistro.

A sinistra spirale di Airy di senso destro perchè la sezione geminata del Brasile nel punto di contatto è destra; notare che cambia anche il colore delle porzioni cristalline di senso opposto A destra ribaltando la sezione, la sfera si appoggia sulla parte sinistra e la spirale inverte il senso.