работа 10
СЕЛЕКТИВНО ОТРАЗЯВАНЕ НА СВЕТЛИНА ОТ ХОЛЕСТЕРИЧНИ ФИЛМИ.
Холестеричните течни кристали се характеризират със спирално разположение на молекулите. За монокристален образец спиралната ос на симетрия съвпада с оптичната ос. Дългите оси на молекулите са перпендикулярни на спираловидната ос и се завъртат под ъгъл от 2π, когато се движат на една стъпка от холестеричната спирала P. В отделен слой молекулите са ориентирани по същия начин, както в нематиците, но всеки слой се завърта спрямо другия с определен ъгъл θ (
10'). Холестеричните кристали са получили името си от първите представители на този тип течни кристали: холестеролови естери. Молекулите нямат център на симетрия и оптична активност. Те са в състояние да образуват спирално усукани структури с дясно и ляво усукване (фиг. 1).
Оптичната активност ρ на холестериците зависи по доста сложен начин от дължината на светлинната вълна λ. При определена критична дължина на вълната λc специфичното въртене на поляризационната равнина променя знака си, преминавайки през нула. При тази дължина на вълната λc възниква уникално оптично явление – селективно отражение на светлината.
Светлината, падаща успоредно на спиралната ос, се разделя на два компонента, дясно- и ляво-кръгово поляризирани. В зависимост от усукването на кристала, един от компонентите се отразява почти напълно, докато другият се предава изцяло. Отражението на кръгово поляризирания компонент се случва само близо до дължината на вълната на селективно отражение. λc=nP, където n е средният индекс на пречупване на холестерола. Пълното отражение възниква в рамките на спектралния диапазон.
Δλ=РΔn, където Δn е локалната анизотропия на индекса на пречупване вътре в молекулния слой (Δn=nII-n┴).
Зависимост на специфичното въртене ρ и интензитета на разсеяната светлина от дължината на вълната λпоказано на фиг.2. Причината за селективното отражение на светлината е отражението на Брег върху холестерични слоеве с период
Ако λc се намира във видимата област на спектъра, тогава пробата с един домейн (плоска текстура) показва ярки цветове. Тъй като стъпката на спиралата P силно зависи от температурата на холестеричния кристал, λc се променя с температурата на холестеричния филм. Цветът на филма показва неговата температура, което прави възможно използването на холестерични филми за записване на разпределението на температурата върху повърхността на различни тела. Термичните индикатори, изработени от течни кристали, се използват в електронното инженерство, дефектоскопията и медицината.
Приблизителен характер на зависимостта на цвета от температурата е показан на фиг. 3а (осветяване с бяла светлина). Фигура 3b показва зависимостта на интензитета на отразената светлина от температурата при осветяване с монохроматична светлина.
Зависимостта P(T) в първо приближение за чисти холестерици и редица смеси може да бъде записана като P
1/Т. Обяснението на тази зависимост е дадено в модела, показан от усукващата анхармоничност на торсионните вибрации (Кийтинг). Средният ъгъл между молекулите в съседните равнини се увеличава с повишаване на температурата поради анхармонични вибрации. Ето защо
kT, т.е. топлинна енергия на вибрациите. Големият инерционен момент наZмолекулите намалява амплитудата на трептене и, разбира се, средния ъгъл. Той трябва да нараства с увеличаване на коефициента на анхармоничност А. С други думи, може да си представим
АkT/Z/ този резултат е в съответствие с по-строг анализ.
Нека определим връзката със стъпката на спиралата P. Междуслойното разстояние d има стойност от порядъка на дебелината на холестеричната молекула. Завъртането на молекулите при движение на единица дължина = /d, а завъртането на ъгъл 2π съответства на стъпка Р=2 π d/ .По този начин
Това в първо приближение е в съответствие с експерименталните данни за редица вещества.
Целта на тази работа е да се наблюдават цветовете на селективното отражение на светлината при промяна на температурата на холестеричния филм. Използва се стандартна термографска смес с гама от цветове малко над стайната температура. Пробата се поставя между предметно стъкло и покривно стъкло вътре в нагревателната камера. Температурата се измерва с помощта на термодвойка мед-константан, чието съединение е в контакт с предметното стъкло. Пробата се осветява отгоре с осветител OI-19. температурата се определя от величината на текущия микроамперметър М-95. (фиг. 4). Филмова зона
Фиг. 1. холестеричен монокристал. Спиралната ос е перпендикулярна на молекулните слоеве. Вътре в слоя „нематичен“ ред с локална анизотропия Δn. Светлината със същия обрат като кристала преминава свободно; другият компонент се отразява.
Фиг.2. Зависимост на специфичното въртене ρ и интензитета на разсеяната светлина от дължината на вълната λ.
Фиг.3. Зависимост λс(Т 0 K) с посочване на цветовете на филма (α ) ; интензитет на отразената светлина като функция на температурата (δ).
Фиг.4. Схема на експерименталната постановка.
Настройте автотрансформатора на 10V. Включете осветителя, така че светлината да пада перпендикулярно върху пробата.
В режим на отопление наблюдавайте появата на цветове за селективно отражение. Запишете цвета и показанията на микроамперметъра, като използвате таблицата с цветове и условни дължини на вълните: червено - 0,65 μm, жълто - 0,58, зелено - 0,53, синьо - 0,48, виолетово - 0,40.
Изключете нагревателната камера. Запишете цветовете за селективно отражение, докато пробата се охлажда.
Според таблицата за калибриранеопределете температурата (0 C), съответстваща на цветовете на холестеричния филм.
Построете зависимостта λс (Т 0 K) за режимите на отопление и охлаждане.
Постройте графики на λc (T -1 ) и λ -1 s (T). Определете функционалната зависимост на λc от температурата T.
Опишете структурата на холестеричен кристал.
Какво е селективно отразяване на светлината?
Каква е дължината на вълната и спектралният интервал на селективно отражение?
Начертайте зависимостта на оптичната активност (ρ) от дължината на вълната на светлината и интензитета на селективното отражение.
Защо ефектът на селективно отражение може да се използва за термография?
Получете приблизителна формула за зависимостта на λc от температурата.