Работа 5.

ИССЛЕДОВАНИЕ СФЕРОЛИТОВ МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ.

Текстуры твёрдых и жидких кристаллов отражают структуру кристалла, воздействие различных подложек, зависят от термической предыстории образца. Кроме широко используемого метода поляризационной микроскопии достаточно информативным оказался метод малоуглового рассеяния поляризованного света. Он позволяет описывать взаимную ориентацию молекул в образцах, на первый взгляд совершенно неупорядоченных. Эти области корреляции ориентации молекулярных осей могут быта расположены совершенно случайно или относительно упорядоченно, Высокой упорядоченностью отличаются системы сферолитов.

Все эти объекты являются фазовыми, т.е, осуществляется сдвиг фазы проходящего через них света. Кроне того они являются анизотропными. Поэтому картина светорассеяния (Дифрактограмма рассеяния света) существенно зависит от поляризации, взаимного расположения поляризатора, анализатора и образца.

На рис. 2 показана схема случайных (а), волоконнообразных (б) и дискообразных корреляций ориентации (в) молекул. Для каждого типа текстур характерна своя картина светорассеяния скрещенных (Н_γ ) или параллельных поляроидах (V_v).

Наиболее полно разработана теория светорассеяния для сферолитов, Экспериментальная установка (рис. 1) обычно состоит из газового лазера, двух поляроидов, образца и экрана (фотопластинки).

Сферолит представляет собой сферическое или дискообразное скопление рассеивающих анизотропных единиц. Оптические оси ориентированны под некоторым углом β к радиусу сферолита. Рассеяние на таких сферолитах при скрещенных поляроидах (Н_v) даёт четырёхлепестковую картину (рис.3). Таким образом, интенсивность рассеянного света зависит от дифракционного угла θ и от азимутального угла φ (в плоскости экрана) Зависимость I(θ) имеет максимум. Величина угла θ при I_max прямо связана со средним радиусом сферолитов.

Двулучепреломление и анизотропия ориентации молекул в сферолитах приводят к появлению креста погасания между скрещенными поляроидами. Тёмные ветви параллельны направлению поляризации. Разумно предположить, что сферолиты состоят из радиально направленных кристаллических пластинок (кристаллитов). Сферолиты растут в радиальных направлениях от некоторых центров се скоростью, зависящей от температуры, до тех пор, пока не заполнят весь объём образца. При быстром охлаждении размеры сферолитов намного меньше, чем при медленном охлаждении.

Двулучепреломление сферолитов можно оценить с помощью кварцевой пластинки (красной первого порядка). При наблюдении в скрещенных поляроидах каждый сферолит делится чёрным крестом погасания на четыре квадранта. При введении компенсатора (рис.6) кристаллики сферолита в двух противоположных квадратах сказываются расположенными вдоль длинной стороны компенсатора, а в двух других — перпендикулярно к нему. Следовательно, в одной паре квадратов должно наблюдаться сложение, в другой- вычитание разностей хода световых воли.

Если в квадратах, расположенных в направлении вдвигания компенсатора, наблюдается понижение интерференционной окраски, а в двух других – повышение, кристаллиты имеют положительное удлинение; в обратном случаи – отрицательное.

В большинстве случаев сферолиты показывают низкие интерференционные окраски, а потому для определения знака удлинения лучше пользоваться кварцевой пластинкой. При введении её при положительном удлинении квадранты, расположенные вдоль пластинки, окрашиваются в жёлтый цвет, а поперёк – в синий. Чёрный крест при этом становится пурпурным.

В оптически одноосных кристаллах, где ось индикатрисы совпадает с главной осью кристалла, знак удлинения совпадает с оптическим знаком, если кристаллит удлинён вдоль главной оси. У двуосных кристаллов знак удлинения зависит от сечения индикатрисы и будет положительным, если большая полуось эллипса сечения совпадает с радиусом сферолита (или очень близка к нему). Положение сечения индикатрисы в сферолите условно показано на рис. 4.

В соответствии с теорией рассеяния света на сферолитах радиусы сферолитов связаны с положением дифракционных максимумов формулой:

,

Где λ =λ ₀/n – длина волны света в среде, R – радиус сферолита, θ _m – угол, соответствующий максимуму в рефлексах четырёхлепестковой картины, n – средний показатель преломления среды.

Целью работы является экспериментальное изучение малоуглового рассеяния света на сферолитах с помощью установки (рис.1). Радиусы сферолитов также измеряются о помощью окуляр-микрометра на поляризационном микроскопе. Методика применима к сферолитам как в жидких, так и твёрдых кристаллах.

Образцы кристаллических сферолитов холестерил ацетата приготовлены быстрым охлаждением межу двумя стеклянными пластиками без прокладок. Углы дифракции ~2°. При повороте анализатора в положение, параллельное поляризатору, картина рассеяния поворачивается на 90⁰ и появляется пятно центрального пучка. Участок на образце выделен диафрагмой. Картина дифракции наблюдается на экране. Метод расчета показан на рис.3.

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

Рис.2. Схема случайных и не случайных корреляций ориентации в анизотропных текстурах.

Рис.5.Схема измерения и расчёта угла θ _m.

Рис.4.Определение знака удлинения кристаллов в сферолитах при помощи кварцевой пластинки(с – синяя, ж – жёлтая окраска).

Выполнение работы:

1. Включить лазер ЛГ-78.

2. Установить поляроиды в скрещенное положение (полное погасание). Поместить между поляроидами образец таким образом, чтобы пучок проходил через отверстие диафрагмы.

3. Получить на экране четырёхлепестковую картину дифракции. Измерить расстояние ℓ от центра картины до максимумов (примерно до центра “лепестков”).Определить tg θ _m и θ _m. Зарисовать картину дифракции. Определить по формуле дифракции R.

4. Поставить поляризатор в параллельное положение. Зарисовать картину дифракции.

5. Поместить образец между скрещенными поляроидами на столике поляризационного микроскопа. Определить средний радиус сферолитов, проведя десять измерений с помощью окуляр – микрометра. Описать поведение сферолитов при повороте анализатора. Зарисовать в тетради картину сферолитов.

6. Сравнить R_диф с R_микр и определить возможные причины расхождения.

Вопросы:

1. Опишите установку для изучения малоуглового расстояния поляризованного света.

2. Какие объекты можно исследовать этим методом?

3. Опишите строение сферолитов и картины дифракции поляризованного света.

4. Почему вид картины дифракции зависит от положения поляроидов?

5. Запишите и объясните формулу, связывающую углы дифракционных максимумов с размерами сферолита.