冰的雙折射

摘 要：近代物理的研究大多從微觀的機理出發，來分析探討物體的宏觀性質。該文運用固體物理基礎理論，簡單介紹雜化軌道以及分子中H-O共價鍵的形成，分析冰介電常數的各向異性，原創性地提出冰的雙折射概念，并設計了偏振光的干涉實驗。

關鍵詞：雜化軌道 水 冰 光軸

中圖分類號：O436 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-0-01

1 雜化軌道理論

雜化軌道是原子為了成鍵而發生的電子軌道改變。對于某個原子（O原子），其同一主量子數n上的s，p軌道能量相近。s軌道是靠近原子核的球對稱性狀，p軌道是兩頭大的啞鈴性狀。一旦與能級簡并，新的波函數可由兩者線性組合而成，即代表雜化軌道。

典型的雜化軌道是甲烷分子。基態碳原子核外電子排布：1s^2 2s^2 2p^2。第二軌道一個2s電子激發到2p軌道后形成2s，3p^3形式。一個2s電子與3個2p電子形成雜化軌道。最后形成甲烷。雜化軌道分子鍵角滿足 。呈現標準的四面體結構。

2 水的成鍵

與略有不同，中的原子雜化不完全對稱，其中兩個軌道安排兩個原子，另外兩個雜化軌道安排兩對孤對電子。

由于實驗測定的鍵角為小于。故成鍵的兩個雜化軌道的s成分小，而安排孤對電子的兩個雜化軌道的p成分大，即原子采用不等性雜化。成鍵雜化軌道波函數 。

3 冰的結構

自然形成的降雪及冰凍都是六方晶系晶格。由于的電極性很強，分子之間可以形成氫鍵。因此對于中心原子的四個雜化軌道，兩個與形成共價鍵，兩個孤對電子與其他水分子的形成氫鍵。由于分子間微擾作用的鍵角變為接近正四面體結構。整齊排列的六方晶系的冰在結構上呈現各向異性，平行軸線方向和垂直軸線方向性質不同。軸線方向所有氫鍵指向一致，其他氫鍵和軸線呈大角度（）排列。形成片層狀結構。

自然狀態下的冰結構有隨機性。首先原子的排列是隨機的，平行光軸的氫鍵中原子一致向上，而實際狀態允許原子隨機取向。單片雪花中冰晶依照六方晶系排列，外觀呈現六邊形，冰川中的塊狀冰由于降雪形成，雪花隨機排列。因此塊狀冰是由許多小的冰晶隨機排列而成，光軸的取向隨機。因此無法直接觀測宏觀的各向異性。

4 介電常數各向異性來源的猜想

由于規則六方晶系的各向異性，平行光軸和垂直光軸方向的物理性質會存在差異。考慮光學中的雙折射現象，尋常光和非尋常光折射率的差異來源于介電常數的各向異性。

沿著六方晶系的光軸方向，所有鍵取向一致，其他的取向幾乎和光軸平行，形成垂直光軸的層狀結構。由于六方晶系的規則結構，在外電場的作用下，水分子的取向可視為不變，即不產生水分子的取向極化。貢獻宏觀極化主要來源之間的位移極化。

由于光軸方向鍵平行光軸，而垂直光軸方向所有鍵和基面呈，極化只貢獻平行于基面的分量，垂直基面的分量相互抵消。

因此，平行與光軸的介電常數大于垂直光軸的介電常數。。尋常光的振動電矢量垂直于光軸，介電常數較小，。因此應該有：。查閱數據有 。上述分析給出了一個可能的解釋方案。

5 雙折射現象

（偏振光的干涉）：由于差異很小，再加自然狀態的冰結構雜亂，所以生活中并沒有觀察到冰的雙折射現象。設計實驗可以觀測冰的雙折射現象。

在兩個正交的偏振片中平行插入薄的冰片，白光垂直照射起偏器P1，線偏振光通過單軸冰晶發生旋光效應，偏正狀態由線偏振變為橢圓偏振，橢圓偏振光通過檢偏器P2，平行透振方向的振動分量允許經過。由于冰晶光軸隨機取向，不同波長的光旋光后得到的橢偏光不同，因此被檢偏器檢出的光強不同，在檢偏器后可以觀察到不同顏色。由于薄冰片面積大，可以含有多組單晶，因此能夠呈現不同顏色。

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