birifrangenza

In ottica, proprietà di sostanze otticamente anisotrope (generalmente cristalli) di dar luogo al fenomeno della doppia rifrazione (o birifrazione), consistente nello sdoppiamento di un raggio incidente in due raggi rifratti (eventualmente sovrapposti). I due raggi hanno diverse velocità di propagazione (e quindi corrispondono a essi indici di rifrazione diversi) e risultano polarizzati linearmente in due piani tra loro perpendicolari. Il fenomeno, particolarmente evidente nei cristalli limpidi di calcite (spato d’Islanda), fu scoperto nel 1669 da Rasmus Bartholin e studiato successivamente da Ch. Huygens e da A.-J. Fresnel, al quale si deve una esauriente teoria, che è stata successivamente rielaborata nell’ambito della teoria elettromagnetica della luce.

B. di cristalli

cristalli monoassici

I cristalli del sistema monometrico non presentano b., gli altri si distinguono, dal punto di vista della b., in monoassici o uniassici (sistemi trigonale, tetragonale, esagonale) e biassici (sistemi rombico, monoclino e triclino) a seconda che ammettano uno oppure due assi ottici; per asse ottico qui s’intende la direzione lungo la quale non si ha doppia rifrazione, cioè tale che un raggio luminoso propagantesi lungo di essa si rifranga nel modo usuale. Nei cristalli monoassici uno dei raggi (raggio ordinario) segue le ordinarie leggi della rifrazione e l’indice di rifrazione a esso corrispondente ha un valore n_ord costante, indipendente cioè dalla direzione secondo la quale la luce si propaga; l’altro raggio (raggio straordinario) non segue invece le leggi della rifrazione e l’indice a esso corrispondente può variare dal valore n_ord a un valore estremo, n_str, che si ha quando la direzione di propagazione è perpendicolare all’asse ottico; come accade per le sostanze monorifrangenti, gli indici n_ord e n_str variano, per una data sostanza, al variare della lunghezza d’onda della luce. A seconda che la differenza (n_str−n_ord), detta potere birifrangente, o b. essa stessa, sia positiva oppure negativa, si parla di sostanza otticamente positiva (per es., quarzo) oppure otticamente negativa (per es., calcite). Nella fig. è schematizzata la b. in un cristallo monoassico: a è l’asse ottico del cristallo, α il piano principale, s la superficie su cui incide la luce, r il raggio incidente, r′ e r″ i raggi rifratti, ordinario e straordinario rispettivamente. Nei cristalli biassici nessuno dei due raggi rifratti segue, in generale, le leggi della rifrazione, gli indici di rifrazione corrispondenti dipendono dalla direzione di propagazione della luce, ciascuno assumendo valori compresi nel campo delimitato dai cosiddetti indici di rifrazione principali della sostanza, dipendenti dalla natura di questa e dalla lunghezza d’onda della luce: n_α (indice minimo), n_β (indice medio), n_γ (indice massimo). La direzione dei raggi rifratti in un cristallo birifrangente si determina ricorrendo al principio di Huygens-Fresnel generalizzato. Quando un’onda luminosa incide sulla superficie del cristallo, il punto di incidenza diviene sorgente di due onde luminose elementari: una, associata al raggio ordinario, con fronti d’onda sferici; l’altra, associata al raggio straordinario, il cui fronte d’onda è un ellissoide di rotazione attorno all’asse ottico.

B. artificiale

Accanto alla b. naturale, che è quella propria dei cristalli mono- e biassici, si parla anche di b. artificiale in relazione ai fenomeni di doppia rifrazione che si verificano in alcune sostanze trasparenti in conseguenza di una polarizzazione elettrica o magnetica (b. elettrica, b. magnetica) o di sollecitazioni meccaniche (b. meccanica).

B. elettrica B. temporanea (detta anche, dal nome dello scopritore, effetto elettroottico di Kerr) assunta da quasi tutti i mezzi trasparenti isotropi, solidi o liquidi o gassosi, qualora siano immersi in un campo elettrico. Tale b. equivale a quella di un cristallo uniassico con l’asse ottico nella direzione del campo. Il potere birifrangente è proporzionale, secondo una costante detta costante di Kerr, alla lunghezza d’onda della luce impiegata e al quadrato dell’intensità del campo elettrico; decresce inoltre sensibilmente con l’aumentare della temperatura. La b. elettrica si spiega con l’anisotropia causata dalla polarizzazione dielettrica delle molecole nel campo.

B. magnetica B. temporanea (detta anche, dal nome degli scopritori, effetto magnetoottico Cotton-Mouton) acquistata da una sostanza isotropa (per es. un liquido) trasparente immersa in un campo magnetico, analoga a quella presentata da un cristallo uniassico con l’asse ottico nella direzione del campo. Quantitativamente la b. magnetica è espressa da una legge simile a quella della b. elettrica; la causa va ancora ricercata nel parziale orientamento delle molecole a causa della polarizzazione magnetica.

B. meccanica Una lamina di vetro può divenire birifrangente qualora venga sottoposta a compressione o a trazione, comportandosi come un cristallo uniassico negativo o positivo rispettivamente, con l’asse ottico parallelo alla direzione di compressione o di trazione. Il potere birifrangente è proporzionale alla tensione elastica prodotta dalla sollecitazione. La b. meccanica è determinata dagli sforzi interni che si generano entro la lamina e che ne rendono anisotropa la struttura. Oltre al vetro, presentano tale fenomeno varie sostanze e in particolare alcune resine (specialmente quelle viniliche). Anche i liquidi possono presentare una temporanea b. meccanica che scompare tanto più rapidamente quanto meno viscoso è il liquido sul quale si sperimenta. Analoga b. temporanea può esser causata da un riscaldamento asimmetrico. La b. meccanica ha ri;cevuto importanti applicazioni nella fotoelasticità, cioè in metodi con i quali si determinano sperimentalmente tensioni che si generano in una struttura sottoposta a sollecitazione operando su un modello in materiale trasparente omogeneo, originariamente isotropo, fatto attraversare da luce polarizzata.