שבירה כפולה

שבירה כפולה (באנגלית: Birefringence) היא תופעה אופטית שבה קרן אור שעוברת דרך חומר מתפצלת לשתי קרניים בעלות קיטובים ניצבים. תופעה זו מתרחשת בגבישים בעלי סימטריה נמוכה, בחומרים אמורפיים תחת מאמץ ובחומרים לא איזוטרופיים. התופעה אינה מתרחשת בחומרים איזוטרופיים. החוק הפיזיקלי המתאר את האופן שבו קרן אור עוברת בחומר נקרא חוק סנל. על פי חוק זה לכל חומר יש מקדם שבירה שעל פיו נקבע כיוון ההתקדמות של קרן האור שעוברת בחומר. החומרים שבהם יש שבירה כפולה, הם חומרים אנאיזוטרופיים, כלומר מקדם השבירה אינו אחיד אלא תלוי בכיוון הקרן ובקיטובו, עבור קיטוב מסוים מהירות הגל ומקדם השבירה לא יהיו תלויות כיוון, גל כזה נקרא הגל הרגיל. אבל עבור כל קיטוב אחר לכל כיוון התקדמות יש מקדם שבירה משלו, וגל כזה נקרא הגל הבלתי רגיל. כאשר גל נכנס לחומר הוא כולל בדרך כלל רכיב שמקוטב כמו הגל הרגיל ורכיב שמקוטב כמו הגל הבלתי רגיל. וכאמור מהירות הגלים האלה שונות ולכן חוק סנל עבור כל רכיב יהיה שונה, זה גורם לתופעה שגל שנכנס מתפרק לשני גלים שכל אחד מתקדם בזווית אחרת. בחומרים האנאיזוטרופיים מקדם השבירה אינו מספר בודד אלא טנזור. במרבית המקרים ניתן ללכסן את הטנזור כלומר אפשר לתאר את מקדמי השבירה באמצעות שלושה מספרים, הנקראים מקדמי השבירה העיקריים, כל אחד מהם מתאים לכיוון התקדמות מסוים בחומר, והכיוונים הללו ניצבים זה לזה. לחומרים שבהם שלושת מקדמי השבירה העיקריים שונים זה מזה קוראים דו-ציריים, לחומרים שבהם שני מקדמי שבירה העיקריים שווים זה לזה ושונים מהשלישי קוראים חד-ציריים, ואילו החומרים שבהם שלושת מקדמי השבירה העיקריים שווים הם החומרים האיזוטרופיים. דוגמאות: גביש איזוטרופי - מלח גביש חד-צירי - קלציט גביש דו-צירי - נציץ (מיקה) חומר לא איזוטרופי שאינו גביש - שקף משרדי, צלופן חומר איזוטרופי שאינו גביש - זכוכית בגבישי שבירה כפולה מהירות ההתקדמות של כל אחת מן הקרניים בתוך החומר תלויה בכיוון ההתקדמות ובקיטוב של הקרן הנכנסת. מקדם השבירה הוא היחס בין מהירות האור בריק למהירות האור בחומר. לכן ניתן לומר שמקדם השבירה בגביש שבירה כפולה תלוי בכיוון ההתקדמות ובקיטוב של האור ביחס לגביש. הציר האופטי של גביש שבירה כפולה הוא כיוון ההתקדמות עבורו לכל כיווני הקיטוב יש אותה מהירות. בגביש דו-צירי יש שני כיוונים כאלו, ובגביש חד-צירי יש כיוון אחד כזה. גבישי שבירה כפולה משמשים בתעשיית האופטיקה לייצור רכיבים אופטיים שונים כגון: לוחיות גל, מקטבים מסוגים שונים, מסנני צבע ועוד. כמו כן תופעת השבירה הכפולה משמשת כלי לאיתור מאמצים בחומר. התלות של מקדם השבירה בכיוון ההתקדמות ובקיטוב מתוארת באמצעות בנייה גאומטרית הנקראת אליפסואיד האינדכסים (אנ') של פרנל: לכל חומר מתאים אליפסואיד, שלושת הצירים של האליפסואיד הם באורך של שלושת מקדמי השבירה העיקריים המתאימים לחומר, והאוריינטציה שלו קשורה לאוריינטציה של הגביש. כדי למצוא את מקדם השבירה עבור כיוון התקדמות, k → {\displaystyle {\vec {k}}} , מסוים וכיוון קיטוב מסוים, e → {\displaystyle {\vec {e}}} של האור צריך למצוא את המישור הניצב לכיוון ההתקדמות של הקרן העובר דרך מרכז האליפסואיד. החיתוך של מישור זה עם האליפסואיד יוצר אליפסה. אינדקס השבירה המתאים לכיוון התקדמות זה הוא האורך של קו ממרכז האליפסה לשפתה בכיוון המקביל לכיוון הקיטוב, e → {\displaystyle {\vec {e}}} , של האור. במקרה המיוחד בו אליפסת החיתוך היא מעגל, נקבל כי לכל כיווני הקיטוב יש אותה מהירות. באליפסואיד כללי יש שני צירים עבורם אליפסת החיתוך היא מעגל, ובאליפסואיד סיבוב שני הצירים הללו מתלכדים, ואליפסת החיתוך היא מעגל עבור המישור הניצב לציר הסיבוב של אליפסואיד הסיבוב. ניתן לראות כי גביש דו-צירי מתואר על ידי אליפסואיד כללי, גביש חד-צירי מתואר על ידי אליפסואיד סיבוב ועבור גביש איזוטרופי אליפסואיד האינדקסים מתנוון לכדור. קיטוב ליניארי מדיה וקבצים בנושא שבירה כפולה בוויקישיתוף Stress Birefringence, www2.oberlin.edu (באנגלית)