Lezione 3
Le proprietà ottiche, la birifrangenza e la tecnica di microscopia ottica in luce polarizzata (POM)
Proprietà ottiche dei cristalli liquidi (birifrangenza&POM).pdfLe proprietà ottiche dei cristalli liquidi
Questa presentazione descrive una delle principali proprietà ottiche dei cristalli liquidi, la birifrangenza. Per comprendere la birifrangenza è necessario riprendere alcuni concetti di base sulle onde luminose, sui polarizzatori e conoscere cosa è l'indice di rifrazione. Comprendere la birifrangenza è importante per capire una delle tecniche più importanti per lo studio dei cristalli liquidi: la microscopia ottica in luce polarizzata (POM). Anche se gli insegnanti non necessariamente potranno approfondire tutti questi aspetti in classe, una conoscenza di base del fenomeno della birifrangenza è utile a capire il significato delle bellissime immagini osservate al microscopio sui cristalli liquidi, immagini che sono utili anche per identificare le fasi liquido cristalline e osservare le transizioni di fase.
Immagini ottenute al microscopio ottico in luce polarizzata per un cristallo liquido a temperature diverse
Transizione dalla fase isotropa (nero) a fase nematica (tipiche croci di Malta colorate).
Fase nematica con i tipici difetti ad una temperatura T1
Fase nematica con i tipici difetti ad una temperatura T2
Fase smettica A con le tipiche 'tessiture' (texture) dette coniche focali
Due esperimenti semplici sui polarizzatori e sulla birifrangenza
Esperimento 1: Come funzionano i polarizzatori
Pre-requisiti
Conoscenze di base della luce e dei fenomeni ondulatori
Obiettivi di apprendimento
Capire che cosa sono i polarizzatori e come funzionano, capire la legge di Malus. Dove possibile, l'esperimento sui polarizzatori può essere utile per far comprendere in modo più approfondito alcune caratteristiche ondulatorie della luce.
Livello di difficoltà
Facile
Durata dell'esperimento
Circa 10 minuti
Materiali richiesti
Due polarizzatori (si possono usare anche delle lenti di occhiali scuri o polarizzatori utilizzati nella fotografia)
Una sorgente di luce
Procedimento
Porre davanti alla sorgente di luce uno dei due polarizzatori e successivamente il secondo. Prima i due polarizzatori sono posti in modo da non avere alcun effetto visibile sulla luce, ovvero gli assi dei polarizzatori devono essere paralleli. Poi in modo graduale si ruota il secondo polarizzatore in modo che la luce venga completamente bloccata (gli assi dei polarizzatori sono adesso perpendicolari). Spiegare poi la relazione di Malus sull'intensità della luce in funzione degli angoli tra i due assi dei polarizzatori.
Esperimento 2: Materiali birifrangenti
Pre-requisiti
Sapere come funzionano i polarizzatori
Conoscenze di base dei solidi otticamente isotropi e anisotropi
Conoscenze di base sulla natura ondulatoria della luce
Obiettivi di apprendimento
Capire quale è il comportamento della luce quando attraversa dei materiali birifrangenti, comprendere l'importanza dello spessore dei materiali sui colori che si osservano; comprendere le applicazioni di questo fenomeno.
Livello di difficoltà
Facile
Durata dell'esperimento
Circa 20 minuti
Materiali richiesti
Due polarizzatori
Una sorgente di luce
Vari materiali (es. materiali plastici, film di Teflon, pellicola alimentare, oggetti di plastica trasparenti di vario spessore, nastro adesivo,...)
Procedimento
Dopo aver fatto l'esperienza precedente, proviamo ad inserire tra i due polarizzatori posti a 90° l'uno rispetto all'altro, vari materiali trasparenti, facendo notare che in alcuni casi, cioè con alcuni materiali, compaiono dei colori molto accesi che rivelano striature e disegni prima non osservabili. Occorre spiegare che in questi casi stiamo osservando dei materiali birifrangenti. I diversi colori osservati dipendono sia dalla birifrangenza dei materiali sia dallo spessore, che da punto a punto può essere diverso.
Spiegare anche le applicazioni di questo fenomeno, in particolare l'uso dei polarizzatori per evidenziare delle tensioni e deformazioni nei materiali plastici.