Методы и приборы оптического исследования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы и приборы оптического исследования

Введение

микроскоп кристалл оптический

Наука о кристаллах - кристаллография - изучает законы строения твердых тел, характеризует кристаллическое вещество закономерным геометрически правильным внутренним строением. Доказано, что кристаллическое строение свойственно подавляющему большинствуминералов и горных пород, слагающих земную кору, а значит имеет первостепенное значение в строении Земли.

В промышленности все материалы (металлы и сплавы, каменные строительные материалы, цемент и кирпич, и п.т.) состоят из кристаллических зерен минералов. Кристаллография создала целый ряд специальных кристаллографических методик, имеющих большое практическое значение и распространение. Наука о кристаллах дает общее понятие о свойствах и строении твердого вещества. Поэтому входит в комплекс общеобразовательных дисциплин и является основой для происхождения предметов минерального цикла - минералогии, петрографии, геохимии, учения о месторождениях полезных ископаемых.

Многие учёные России внесли вклады в развитие этой науки. Такие как: М.В. Ломоносов, А.В. Гадолин, Е.С. Федоров, Ю.В. Вульф и многие другие. Кристаллография и в настоящее время представляет огромный интерес и постоянно пополняется новыми специалистами. Большую роль в исследовании кристаллов играет изучение их оптических свойств, которые носят строго закономерный характер. Кристаллы определенного состава и строения обладают постоянными оптическими характеристиками, которые исследуют при помощи поляризационных микроскопов. Это позволяет определять минералы в любой смеси -- горной породе, строительном материале. Методы оптического исследования нашли широкое применение в геологии, химии и технологии строительных материалов. Так, например, при изготовлении цемента они используются для контроля за цементным клинкером. Основные оптические свойства кристаллов -- преломление, двупреломление, поляризация и интерференция света. Оптические свойства кристаллов выражаются их оптической индикатрисой.

Петрография (петрология) -- наука геологического цикла, в задачу которой входит всестороннее изучение горных пород. Под названием «горная порода» понимается природный минеральный агрегат более или менее определенного состава и строения, являющийся продуктом геологических процессов и образующий в земной коре самостоятельные тела. Универсальным методом исследования горных пород является изучение их в шлифах под микроскопом. Для большинства горных пород этот метод позволяет быстро и достаточно точно определять минеральный состав породы, детали ее строения, характер и степень вторичных изменений и ряд других особенностей. Для точного определения констант минералов применяются федоровский метод, иммерсионный метод и др.

Кристаллооптический метод изучения горных пород основан на использовании поляризованного света, применяемого в поляризационных микроскопах, современные модели которых дают увеличения свыше 1000х. Такие возможности широко раздвигают рамки исследования, позволяя определять оптические свойства минералов в мелких зернах, изучать минеральный состав и строение породы.

Кристаллооптический метод требует знания основ оптики и геометрической кристаллографии, без чего сущность оптических явлений, наблюдаемых под микроскопом, не будет понятна.

1. Понятие о плоскополяризованном свете. Двупреломление

Свет - сложное природное явление, представляющее собой, с одной стороны - непрерывный поток материальных частиц - фотонов, характеризующихся определенной энергией и количеством движения, с другой стороны - волновое электромагнитное колебание, возникающее при изменении напряжений электрического и магнитного векторов. Оба вектора равны между собой, взаимно перпендикулярны и одновременно перпендикулярны к направлению распространения света.

Если в каждую единицу времени направления колебаний электрического и магнитного векторов меняются так, что в направлении распространения светового луча одновременно происходит поступательное и вращательное движение этих векторов при постоянной скорости их колебаний, то такой свет называется обыкновенным, или естественным (рисунок 1,а). Если колебания световых волн совершаются только в одной определенной плоскости, такой свет называется плоскополяризованным, пли просто поляризованным (рисунок 1,б). Плоскость, в которой происходят колебания световых волн, называется плоскостью колебаний Q, перпендикулярная к ней плоскость Р - плоскостью поляризации. Плоскополяризованный свет возникает либо при отражении от гладкой поверхности (частичная поляризация), либо при прохождении света через кристалл. Электромагнитные колебания являются гармоническими и, как всякие гармонические колебания, характеризуются такими элементами, как длина волны, амплитуда, фаза, частота и т.д. Видимый свет обусловлен волнами, имеющими длину от 380 до 780 мкм. В этом интервале каждая волна определенной длины имеет определенный цвет. Свет какой-либо одной длины волны называется монохроматическим. Рентгеновские лучи и радиоволны имеют также электромагнитную природу и отличаются от видимого света только длиной волны. У первых длина волны меньше 380 мкм, а у вторых - больше 780 мкм. Если два луча распространяются в одном и том же направлении и обладают одной и той же длиной волны, то они взаимодействуют или интерферируют между собой. Наиболее простой случай интерференции наблюдается, когда оба интерферирующих луча поляризованы в одной плоскости. Суммарный эффект всех волн дает белый цвет. Сложность его состава обнаруживается при разложении света призмой. Обычно в спектре видимого света различают следующие цвета: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Рисунок 1 - Схема электромагнитных колебаний: а) естественного света; б) плоскополяризованного света; Е - вектор электрической напряженности; Н - вектор магнитной напряженности.

Интерференция света

При взаимодействии двух поляризованных лучей, колебание которых происходит в одной плоскости, возникает определенный световой эффект, который называют интерференционным. Эффект интерференции света зависит от так называемой разности хода световых волн этих двух лучей. Яркость светового луча, которую они создают, при этом может усиливаться или уменьшаться вплоть до полной темноты. Если взаимодействующие поляризованные лучи пропускают через кристалл, то возникает определенная окраска, называемая интерференцией. В таком виде этот эффект используется в поляризационном микроскопе для диагностики минералов

Преломление лучей

При переходе света из одной среды в другую происходит изменение скорости распространения света, или преломление световых лучей. Это происходит из-за того, что скорость распространения света в разных средах различна. В вакууме она приблизительно равна 300 000 км/с, во всех других средах меньше. Существует определенная зависимость между углом падения луча и изменением скорости. Для данных двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, равная отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде. Это отношение называется показателем преломления среды второй относительно первой и обозначается N. Показатель преломления какой-либо среды относительно пустоты называют абсолютным показателем преломления. Вследствие того, что скорость распространения света в пустоте является наибольшей, абсолютный показатель преломления всегда больше единицы. Практически показатель преломления определяется относительно воздуха (N = 1,0003). При прохождении света из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления угол преломления меньше угла падения. Если же свет идет из среды с большим показателем преломления, то угол преломления больше угла падения. Поэтому из пучка лучей найдется луч, который после преломления пойдет по границе сред. Угол падения такого луча называется предельным.

При угле падения, большем предельного, падающий луч полностью отразится от поверхности раздела двух сред. Это явление носит название полного внутреннего отражения. Таким образом, полное внутреннее отражение наблюдается тогда, когда луч из среды с большим показателем преломления попадает в среду с меньшим показателем преломления под углом, превышающим предельный. Чем значительнее разница в показателях преломления двух сред, тем меньше предельный угол и тем большая часть падающих лучей испытает полное внутреннее отражение.

Рисунок 2 - Явление полного внутреннего отражения

Луч естественного света, войдя в кристалл, преломляется и разделяется на два луча, идущих с различными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Такое явление называют двойным лучепреломлением, или двупреломлением.

Рассмотрим два случая двупреломления лучей. Один из возникших при двупреломлении лучей идет с одинаковой скоростью по разным направлениям в кристалле, а другой меняет скорость в зависимости от направления. Первый луч называют обыкновенным и обозначают о, а второй - необыкновенным обозначают е.

Рисунок 3 - Двупреломление в ромбоэдре исландского шпата: о -обыкновенный луч; е - необыкновенный луч.

Явление двупреломления связано с анизотропностью кристаллов, т.е. с неодинаковыми свойствами кристаллов. В веществах с одинаковой скоростью распространения света двупреломление не происходит. В анизотропных веществах двупреломление происходит во всех направлениях (кроме направлений оптических осей).

2. Оптическая индикатриса кристаллов различных сингоний

Оптические свойства кристаллов изображаются с помощью оптической индикатрисы. Оптическая индикатриса -- вспомогательная поверхность, имеющая форму шара или эллипсоида. Каждый радиус-вектор индикатрисы пропорционален величине показателя преломления той волны, колебания которой совершаются в направлении этого вектора (распространяется свет в направлении, перпендикулярном к направлению колебания волн). Таким образом, оптическая индикатриса наглядно выражает связь между величинами показателей преломления и направлением колебаний световых волн, проходящих через кристалл. Оси симметрии эллиптического сечения индикатрисы - единственные направления, вдоль которых совершаются колебания световых волн в данном сечении кристалла. Форма индикатрисы зависит от симметрии кристалла.

Оптическая индикатриса кристаллов кубической сингонии

Оптические свойства кристаллов кубической сингоний, показатель преломления которых постоянен, характеризуются индикатрисой, имеющей форму шара с радиусом, пропорциональным величине показателя преломления.

Оптическая индикатриса кристаллов средних сингоний

Для кристаллов средних сингоний оптическая индикатриса имеет форму эллипсоида вращения, ось вращения которого соответствует показателю преломления, совпадающему с единичным направлением в кристалле. Принцип построения оптической индикатрисы для кристаллов средних сингоний рассмотрим на примере тетрагонального кристалла.

На схеме (рисунок 4,а) показаны лучи S₁, S₂, S₃, падающие на различные грани кристалла, где изображены векторы, в направлении которых происходят колебания световых волн, проходящих через данную грань.

Длины векторов пропорциональны величинам показателей преломления для соответствующих направлений.

Луч S₁, идущий вдоль единичного направления L₄, встретит на своем пути основание призмы, характеризующееся равенством единичных отрезков а_х = а_у, что обусловливает изотропность сечения. Поэтому вектор световой волны, соответствующий лучу S₁, проходя через кристалл, будет совершать колебания во всех направлениях с одинаковой скоростью и одинаковым показателем преломления. Двойное лучепреломление здесь отсутствует и, следовательно, фигура, изображающая изменение показателя преломления для рассматриваемого сечения, окружность с радиусом n₀.

Рисунок 4 - Принцип построения оптической индикатрисы: а - возможные направления колебания волн для лучей, идущих перпендикулярно к различным граням тетрагонального кристалла; б - пространственная фигура, отражающая изменение показателей преломления в тетрагональном кристалле.

Лучи S₂ и S₃ перпендикулярны к вертикальным граням призмы, которые характеризуются равенством единичных отрезков по а_х и а_у и неравенством a_г = a_y ? a_z. Это неравенство обусловливает анизотропность сечения и, следовательно, разложение обыкновенного света на две поляризованные волны, колеблющиеся во взаимно перпендикулярных направлениях с разной скоростью и различными показателями преломления. Для обыкновенного луча, волны которого колеблются в горизонтальной плоскости вдоль направления х или у, показатель преломления равен n₀; для необыкновенного луча, волны которого колеблются вдоль единичного направления L₄, n_e, показатель преломления равен n₀. Таким образом, фигура, характеризующая изменение показателя преломления на гранях призмы, представляет собой эллипс с двумя неравными осями.

Величина показателя преломления необыкновенного луча меняется при изменении его наклона относительно единичного направления от n₀, при совпадении луча с единичным направлением, до n_e, если луч идет перпендикулярно к единичному направлению. Промежуточные значения показателя преломления обозначаются n_e'.

Свойства кристалла, как известно, в параллельных сечениях сохраняются. Поэтому, переместив мысленно в центр кристалла плоские изображения, характеризующие изменение показателей преломления на его гранях и объединив их общей поверхностью, получим пространственную фигуру, отражающую изменение показателей преломления, т.е. оптическую индикатрису, которая в данном случае будет иметь форму эллипсоида вращения (рисунок 4,б). В кристаллах средних сингоний оптическая ось совпадает с единичным направлением и, следовательно, с осью вращения индикатрисы n_e. Рассекая мысленно эллипсоид вращения плоскостями, расположенными под углом к оси вращения, видим, что в каждой из таких плоскостей изменение показателей преломления характеризуется эллипсом, одна из осей которого n₀ - величина постоянная; другая ось n_e' - величина переменная (рисунок 5). Индикатриса одноосных оптически положительных кристаллов имеет форму эллипсоида, удлиненного по оси вращения, где n_e . соответствует n_g, индикатриса оптически отрицательных кристаллов имеет форму сплюснутого эллипсоида, для которого n_e соответствует n_p. Эллиптическое сечение индикатрисы, проходящее вдоль оптической оси, называется главным сечением и характеризуется крайними значениями показателей преломления n_e и n₀. Разность n_e - n₀ (или n₀ - n_e) дает максимальную величину двупреломления оптически одноосного кристалла. В разрезе, перпендикулярном к оптической оси, двупреломление кристалла равно нулю; во всех косых сечениях его величина имеет промежуточные значения.

Рисунок 5 - Оптическая индикатриса одноосных кристаллов положительных (+) и отрицательных (-).

Оптическая индикатриса кристаллов низших сингоний

Внутренняя структура кристаллов низших сингоний характеризуется наличием не менее трех единичных направлений, что определяет форму оптической индикатрисы ввиде трехосного эллипсоида с тремя неравными взаимно перпендикулярными осями, соответствующими одному из главных показателей преломления n_g, n_m, n_p (рисунок 6).

Геометрия трехосного эллипсоида предопределяет и наличие симметрично расположенных двух круговых сечений, радиусы-векторы которых равны среднему показателю преломления n_m. Перпендикулярно к круговым сечениям располагаются оптические оси кристалла А₁ и А ₂, при прохождении вдоль которых лучи не испытывают двойного лучепреломления.

Рисунок 6 - Оптическая индикатриса двуосных кристаллов -- положительных (+) и отрицательных (-).

В оптически двуосных кристаллах различают три главных сечения- n_g n_p, n_gn_m, n_mn_p . В сечении n_gn_p лежат оптические оси, поэтому оно называется плоскостью оптических осей. Ось n_m перпендикулярна к плоскости оптических осей. Острый угол между оптическими осями называется углом оптических осей и обозначается 2V; оси n_g и n_р являются биссектрисами этих углов. Если биссектриса острого угла n_g, то кристалл относится к оптически положительным (рисунок 7,а), если n_р -- к оптически отрицательным (рисунок 7,б); если угол 2V=90° кристалл оптически нейтрален (рисунок 7,в).

В сечении кристалла, совпадающем с плоскостью n_g - n_p, разница между величинами показателей преломления максимальная. Только в этом сечении можно определить максимальное двупреломление анизотропного минерала, которое является его характерной оптической константой.



Рисунок 7 - Разрез индикатрисы по плоскостям оптических осей для кристаллов: а -- оптически положительного, б -- отрицательного, в --нейтрального; А₁ и А₂ -- оптически» оси, К₁ и К₂ -- соответствующие нм круговые сечения.

Ориентировка оптической индикатрисы в кристаллах различных сингоний

Под ориентировкой оптической индикатрисы понимается взаимное положение осей индикатрисы и кристаллографических осей. Ориентировка индикатрисы в кристаллах различных сингоний различна и поэтому является одной из важнейших констант минерала. Ориентировка индикатрисы в кристаллах кубической сингоний произвольна, так как такие кристаллы не имеют единичных направлений. Ориентировка индикатрисы в кристаллах средних сингоний однотипна. Ось вращения индикатрисы (ее оптическая ось) всегда совпадает с единичным направлением в кристалле L₄, L ₃, L₆. Ориентировка индикатрисы кристаллов низших сингоний зависит от симметрии кристалла. В кристаллах ромбической сингоний кристаллографические оси а, b, с взаимно перпендикулярны, б = в = г = 90°. Главные оси индикатрисы n_g, n_m, n_p совпадают с кристаллографическими осями (рисунок 8,а); взаимное расположение осей индикатрисы и кристаллографических осей индивидуально для каждого минерала и является его константой. В кристаллах моноклинной сингонии углы между кристаллографическими осями б = г = 90° ? в. Вторая кристаллографическая ось b перпендикулярна к плоскости, в которой лежат оси а и с. Одна из осей индикатрисы (чаще n_m) совпадает с осью b; две другие образуют с кристаллографическими осями а и с некоторые углы (рисунок 8,б). Для каждого моноклинного минерала характерно наименование оси индикатрисы, совпадающей с осью b, и величины углов между осью с и осями n_g или n_p.

Рисунок 8 - Характер ориентировки оптической индикатрисы в кристаллах низших сингоний: а -- ромбической, б -- моноклинной, в -- триклинной.

В кристаллах триклинной сингонии все углы между кристаллографическими осями не равны между собой б ? в ? г ? 90°. Оси симметрии отсутствуют. Все направления единичны. Ни одна из осей индикатрисы в общем случае не совпадает с кристаллографическими осями (рисунок 8,в). Величины углов между кристаллографическими осями и ближайшими к ним осями индикатрисы являются индивидуальной особенностью каждого минерала триклинной сингонии.

3. Поляризационный микроскоп

Исследование оптических свойств минералов производятся при помощи поляризационного микроскопа. Наиболее распространенными являются отечественные микроскопы моделей МП и МИН. Основными частями поляризационного микроскопа являются штатив, предметный столик, тубус, осветительное устройство и поляризационная система. Поляризационный микроскоп отличается от обычного биологического микроскопа наличием специальных оптических приборов, преобразующих обыкновенный свет в плоскополяризованный.

Рис.9 Призма Николя

В микроскопической практике широкое применение получил поляризующий прибор, названный по имени его изобретателя английского физика У. Николя (1828 г.) призмой Николя, или просто николем. В основу конструкции поляризующих устройств положено свойство анизотропных (неравносвойственных) кристаллов поляризовать проходящий через них свет.

Призма Николя представляет собой кристалл бесцветного прозрачного кальцита (исландского шпата), распиленный под определенным углом к граням и затем склеенный канадским бальзамом. Показатель преломления канадского бальзама n=1,54.

Входя в кристалл, световой луч, разбивается на два луча, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При выходе из кристалла, световые колебания одного пучка будут перпендикулярны по отношению к световым колебаниям второго. Для того чтобы, получить свет, поляризованный в одной плоскости, достаточно погасить один из указанных световых пучков. Что выполняется в призме Николя. Параллельный пучок света, входя в призму, разбивается на два распространяющихся с различными скоростями поляризованных световых пучка. Для одного из этих пучков показатель преломления кальцита 1,53 - 1,54, для другого - 1,658. Обратим внимание на то, что первый показатель почти равен показателю преломления канадского бальзама. Световой пучок, соответствующий ему, беспрепятственно проходит сквозь прослойку бальзама с близким ему показателем преломления (рисунок 9). Второй пучок, соответствующий большему показателю преломления (1,658), дойдя до упомянутой прослойки, должен преломиться.

При изготовлении призмы Николя плоскость ее разреза ориентируется так, чтобы второй пучок испытал полное внутренне отражение. Таким образом, достигнув прослойки канадского бальзама, этот пучок не проходит через нее, а целиком отражается, поглощаясь зачерненной оправой призмы Николя. В результате из двух световых пучков через николь проходит лишь один, отвечающий показателю преломления 1,53 - 1,54.



Устройство микроскопа МП - 6 (рисунок 10).

1 - осветительное зеркало; 2 - поляризатор (в оправе); 3 - стопорный винт поляризатора; 4 - вертикальный винт для подъема поляризатора; 5 - рукоятка ирисной диафрагмы; 6 - линза Лазо; 7 - рукоятка для включения лннзы Лазо; 8 - предметный столик; 9 - стопорный винт столика; 10 - зажимные лапки для крепления шлифа; 11 - ноииус; 12 - объектив; 13 - центрировочные винты объектива; 14 -прорезь для компенсатора; 15 - щипцовое устройство для крепления объективов; 16 - анализатор; 17 - линза Бертрана; 18 - винт для перемещения линзы Бертрана; 19 - окуляр; 20 - тубус; 21 - винт грубой наводки тубуса; 22 - винт микрометренной наводки тубуса; 23 - основание штатива; 24 - ручка тубусодержателя; 25 - стопорный винт штатива (на рисунке с обратной стороны)

Основные поверки микроскопа

Для того чтобы с помощью поляризационного микроскопа производить кристаллооптические исследования, необходимо выполнить ряд регулировок и проверок, среди которых основными являются следующие: 1) центрировка микроскопа, 2) установка николей в скрещенное положение, 3) проверка совпадения нитей окулярного креста с направлениями световых колебаний, пропускаемых николями, 4) определение направления колебаний, пропускаемых поляризатором.

1) Центрировка объектива:

Для этого передвижением шлифа по предметному столику ставят на центр креста нитей какую-либо маленькую заметную точку и вращают столик. Если объектив центрирован, то выбранная точка не сойдет с перекрестья нитей (рисунок 11).

Рисунок 11 - Направления движения объектов в поле зрения микроскопа: а -центрированного, б - нецентрированного.

При отсутствии центрировки точка сойдет с перекрестья и опишет в поле зрения окружность. Если центрировка объектива сильно нарушена или объектив неправильно зажат в щипцах, то выбранная точка может совсем уйти из поля зрения. Поэтому прежде чем начать центрировку, необходимо убедиться, что объектив вставлен правильно, т.е. что шпенек на его обойме вошел в прорезь щипцов.

Центрировка объектива производится так:

а) после выбора точки в шлифе и установки ее на перекрестье нитей поворачивают предметный столик на 180°;

б) перемещением шлифа по предметному столику подвигают выбранную точку к кресту нитей на половину того расстояния, на которое она отошла при вращении;

в) надевают на центровочные винты объектива специальные ключи и, ввинчивая или вывинчивая их, изменяют положение объектива так, чтобы выбранная точка попала на перекрест нитей;

г) проверяют проведенную центрировку вращением столика микроскопа. Если же объектив вновь оказывается не центрированным, то все указанные операции повторяют снова.

2) Поверка скрещенности николей.

Николи считаются скрещенными при взаимно перпендикулярном положении плоскостей колебания поляризатора и анализатора. В этом случае (шлифа на столике микроскопа нет) световой луч, направленный от осветительного зеркала, не пройдет через оптическую систему и поле зрения микроскопа останется темным. Если затемнение поля зрения не полное, то открепив арретирный винт, закрепляющий поляризатор, поворачивают последний за рычажок до получения наибольшего затемнения и в таком положении закрепляют его. Эту же проверку можно сделать по участку шлифа, заполненному канадским бальзамом. В скрещенных николях бальзам, как вещество изотропное, будет темным при любых поворотах столика микроскопа.

Скрещенность николей -- необходимое условие при изучении минералов, так как порядок исследований требует совмещения направлений колебаний, пропускаемых анизотропным сечением минерала с плоскостями колебаний в николях.

3) Проверка совпадения нитей окулярного креста с направлениями световых колебаний, пропускаемых николями.

В правильно юстированном микроскопе николи ориентированы так, что одно направление пропускаемых ими световых колебаний (например поляризатора) параллельно плоскости симметрии микроскопа, другое (в анализаторе) - перпендикулярно ей. Проверка производится с помощью креста нитей в окуляре по удлиненным разрезам какого-либо одноосного минерала, например апатита, скаполита, или чаще с помощью пластинки биотита с отчетливой спайностью. При выключенном анализаторе вращением столика микроскопа ставят трещины спайности в пластинке биотита (или длинную сторону минерала) параллельно одной из нитей окулярного креста. Включают анализатор. Если минерал затемнен (на погасании), то микроскоп юстирован правильно. При отсутствии полного погасания поворачивают в окуляре рамку с натянутыми на нее нитями до совмещения одной из нитей со спайностью биотита в момент полного погасания минерала. Эта операция требует опыта, поэтому проводить ее самостоятельно начинающим не рекомендуется.

Таким образом, направление нитей окулярного креста позволяет ясно представлять исследователю положение плоскостей колебаний в николях.

4) Поверка взаимной перпендикулярности нитей креста в окуляре. Выбирают в шлифе прямую линию (спайность, край удлиненного зерна), поворачивают предметный столик так, чтобы она расположилась параллельно одной из нитей окуляра, и берут отсчет по нониусу столика. Затем, вращая столик, устанавливают эту же линию параллельно другой нити окуляра и вновь берут отсчет. Разность отсчетов должна быть равной 90°. Если нити окажутся не взаимно перпендикулярными, исправить это может только механик.

4. Изучение оптических свойств кристаллов при одном николе

При одном николе изучают форму минеральных зерен, спайность, цвет и свойства, обусловленные величиной показателя преломления.

Форма.

Существенное значение для диагностики минералов и нередко для выяснения условий их образования имеет изучение формы минеральных выделений. При исследовании минералов в шлифе эта задача осложняется тем, что здесь наблюдаются только случайные плоские сечения, на основании которых приходится судить о форме минеральных зерен.

Все разнообразие форм минералов можно объединить в четыре главных морфологических типа:

1. Минералы изометричные -- гранат, оливин, лейцит, флюорит.

2. Удлиненные в одном направлении: а) призматические пироксены, амфиболы, апатит, турмалин, волластонит, дистен; б) игольчатые-- актинолит, силлиманит, эгирин.

3. Удлиненные одновременно в двух направлениях при наличии третьего короткого: а) таблитчатые - полевые шпаты, б) листоватые или чешуйчатые - слюды, хлориты, серпентин, тальк.

4. Минералы неправильной формы: кварц, кальцит.



На рисунке 13 изображены наиболее типичные плоские сечения минералов, наблюдаемые в шлифах.

Рисунок 13 - Типичные формы минералов шлифах: 1 - гранат; 2 - оливин; 3 - роговая обманка; 4 - силлиманит; 5 - плагиоклаз; 6 - биотит; 7 - кварц; 8 - кальцит.

Спайность.

Спайностью называется способность минерала раскалываться по определенным кристаллографическим плоскостям, соответствующим плоским сеткам пространственной решетки. В шлифе спайность наблюдается в виде серии трещин, пересекающих минерал. Чем больше разница между показателями преломления минерала и бальзама, тем трещины спайности выделяются резче. Спайность проявляется по-разному, в зависимости от направления среза минерала плоскостью шлифа. Если срез минерала прошел перпендикулярно плоскостям спайности, трещины в шлифе имеют вид тонких четких линий. С увеличением наклона среза относительно плоскостей спайности трещины становятся все более широкими, расплывающимися, пока совершенно не исчезнут. Так, слюды в разрезах, перпендикулярных плоскостям спайности, имеют тонкие четкие трещины; в разрезах, проходящих близкопараллельно или параллельно плоскостям спайности, трещины не обнаруживаются. В зависимости от прямолинейности трещин, взаимной параллельности и протяженности различают спайность весьма совершенную, совершенную и несовершенную. Спайность весьма совершенная отличается наличием четких, тонких параллельных трещин, проходящих через всё зерно минерала (слюды, карбонаты). Спайность совершенная характеризуется развитием прерывистых трещин (полевые шпаты, амфиболы, пироксены). Спайность несовершенная проявляется в виде очень коротких трещин (оливин, нефелин) (рисунок 14).

Имеются минералы, которые не обладают спайностью (кварц, гранаты). Для этих минералов характерна неправильная трещиноватость. Трещины спайности могут развиваться в одном направлении (слюды), в двух направлениях (амфиболы, пироксены) и в трех направлениях (карбонаты, флюорит). Степень совершенства спайности и величины углов между трещинами спайности -- важные диагностические признаки минералов.

Порядок работы при определении углов между трещинами спайности:

1. Находят зерно, разрезанное плоскостью шлифа перпендикулярно обеим плоскостям спайности (обе системы имеют вид тонких четких трещин).

2. Передвигая шлиф по поверхности столика микроскопа, ставят вершину угла двух пересекающихся трещин на центр креста нитей и вращением столика микроскопа совмещают одну из трещин с любой из нитей окулярного креста.

3. Берут отсчет по лимбу столика. Затем поворотом столика совмещают вторую трещину с той же нитью креста и снова берут отсчет.Разность отсчетов дает искомый угол. Принято определять величину острого угла между трещинами спайности.

Цвет.

Как известно, цвет любого вещества зависит от его способности избирательно поглощать (абсорбировать) и отражать волны определенной длины из состава сложного белого цвета.

Цвета минералов в образцах и шлифах обычно не совпадают. Цвет минерала в образце обусловлен суммарным эффектом лучей, как отраженных от его поверхности, так и проникших внутрь минерала на некоторую, весьма незначительную глубину, где часть лучей избирательно поглощается, а часть отражается. Цвет минерала в шлифе зависит исключительно от избирательного поглощения лучей, проходящих сквозь тонкую пластинку минерала. При этих условиях часть лучей поглощается и минерал становится окрашенным в цвета дополнительные до белого. Например, если минерал окрашен в зеленый цвет, следовательно, он поглощает волны красного цвета, так как суммарный эффект от сложения волн зеленого и красного цвета дает белый цвет. В шлифе минералы чаще всего окрашены в зеленые, бурые, коричневые тона. Черные минералы (как правило, рудные) поглощают все видимые лучи спектра. Минералы бесцветные пропускают все лучи или поглощают их в столь незначительном количестве, что глаз не улавливает изменения окраски. В изотропных минералах или в разрезах, перпендикулярных к оптической оси анизотропных минералов, цвет и его интенсивность постоянны в любом направлении и зависят исключительно от абсорбционной способности минерала и толщины пластинки.

В анизотропных сечениях минералов цвет и его интенсивность изменяются в зависимости от направления колебания световой волны, проходящей через кристалл. Это явление называется плеохроизмом. Плеохроизм отчетливо наблюдается при вращении столика микроскопа, когда последовательно совмещаются с плоскостью колебаний поляризатора два взаимно перпендикулярных направления в минерале, отвечающие направлениям наибольшего и наименьшего поглощения света. Плеохроизм резко выражен в таких минералах, как биотит, роговая обманка, эгирин, турмалин и др. Явление плеохроизма в биотите, как уже говорилось, используется для определения положения плоскости колебаний поляризатора.

Определение показателя преломления.

Показатель преломления n - один из важнейших диагностических признаков минералов. Определение его, в зависимости от цели исследования, проводится разными методами с различной степенью точности. Для наиболее точного определения величины показателя преломления пользуются кристалл-рефрактомером. Измерение показателя преломления этим прибором основано на явлении полного внутреннего отражения при падении световой волны из среды, более сильно преломляющей, в среду, преломляющую менее сильно. Величина показателя преломления минерала вычисляется по формуле:

n = N sin j,

где N - известный показатель преломления стеклянного полушария (от куда падает световая волна); j - угол падения луча.

Кристалл-рефрактометр позволяет измерять показатели преломления кристаллического и некристаллического вещества при условии, что их значения не превышают величины N.

Способы определения показателя преломления.

В научно-исследовательских и производственных лабораториях показатели преломления минералов чаще всего определяют иммерсионным методом. Суть метода заключается в том, что пользуясь специальным набором жидкостей с разными, заранее известными показателями преломления, подбирают две жидкости с разницей величин n в 0,003. Причем, значение n одной жидкости будет больше n исследуемого минерала, а другой - меньше. Одно из существенных преимуществ этого метода - возможность его использования для определения даже мелких зерен, размером в десятые доли миллиметра. Сравнивая показатели преломления жидкости и минерала, наблюдают за так называемой световой полоской, или линией Бекке. При разнице n в 0,001 и более на границе минерала с жидкостью появляется тонкая световая полоска - линия Бекке, точно повторяющая контуры зерна. При подъеме и опускании тубуса микроскопа она перемещается с зерна на жидкость и обратно. При подъеме тубуса микроскопа линия Бекке перемещается в сторону вещества с большим показателем преломления, а при опускании - в сторону вещества с меньшим показателем преломления.

Наиболее простой и доступный способ определения показателя преломления минералов при изучении их с помощью поляризационного микроскопа - метод сравнения с показателем преломления канадского бальзама, величина которого всегда постоянна. При этом наблюдают за линией Бекке, рельефом и шагреневой поверхностью, по характеру которых и определяют показатель преломления минерала. Все минералы при сравнении их показателя преломления с показателем преломления канадского бальзама можно разделить на две группы:

1)n_мин < n_к.б.; 2) n_мин > n_к.б..

Следует иметь в виду, что у некоторых минералов величина показателя преломления в зависимости от кристаллографической и оптической ориентировки сильно меняется, например, у кальцита - от 1,486 до 1,658.

Порядок работы при определении относительного показателя преломления:

1. С объективом 3х или 8х устанавливают границу зерна и бальзама (или двух зерен) на крест нитей.

2. Меняют объектив на 20х или 40х и фокусируют микроскоп (нередко оптические эффекты отчетливо видны и с объективом 8х).

3. Несколько прикрывают диафрагму осветительной системы.

4. С помощью микрометренного винта слегка поднимают тубус микроскопа, затем опускают его и одновременно следят за «перемещением» световой полоски.

5. Учитывая результаты наблюдений над световой полоской, характером рельефа и шагреневой поверхности и используя, определяют группу, к которой относится минерал по показателю преломления.

5. Ход лучей через систему поляризатор-кристалл-анализатор.

Для того чтобы понимать явления, наблюдаемые в минерале при скрещенных николях, необходимо ясно представлять себе особенности прохождения света через систему поляризатор - кристалл - анализатор.

Рассмотрение начнем с минерала кубической сингонии или сечения, перпендикулярного к оптической оси анизотропного минерала. В том и другом случае имеем дело с изотропной средой, пропускающей световые волны, колеблющиеся в любых направлениях, следовательно, наблюдаемые явления ничем не будут отличаться от системы двух скрещенных николей. Плоскополяризованная волна, выйдя из поляризатора, пройдет через изотропную среду, сохранив плоскость колебаний без изменения, анализатором пропущена не будет, и поле зрения микроскопа останется темным при любых поворотах столика микроскопа.

Если же между николями поместить анизотропную пластинку, то возникнут явления, существенно отличающиеся от вышеописанных. Как уже известно, анизотропное сечение минерала пропускает световые волны только в двух взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих направлениям осей эллиптического сечения индикатрисы, лежащего в плоскости исследуемого разреза.

Если поворотом столика микроскопа минерал поставить так, чтобы оси его индикатрисы совпали с плоскостями колебаний нижнего и верхнего николей, то волны, вышедшие из нижнего николя - поляризатора, беспрепятственно пройдут через минерал, сохраняя приобретенные в поляризаторе колебания, и далее верхним николем - анализатором пропущены не будут. При повороте столика микроскопа на 360° оси эллиптического сечения индикатрисы четыре раза совпадут с плоскостями колебаний в николях и, следовательно, четыре раза минерал будет на погасании (рис. 15).

Рисунок 15 - Четырехкратное погасание минерала в анализаторном сечении при повороте столика микроскопа на 360°.

При условии косого положения осей индикатрисы исследуемого сечения минерала относительно плоскостей колебаний поляризатора и анализатора (рис. 16) плоскополяризованная волна с амплитудой k, приобретенной в поляризаторе, войдя в минерал, разложится по правилу параллелограмма на две взаимно перпендикулярные волны с амплитудами k₁ и k₂, колеблющиеся в направлении осей эллиптического сечения индикатрисы n'_gn'_p. Скорость колебаний каждой волны обратно пропорциональна показателям преломления соответствующих направлений. При прохождении через минерал волна, колеблющаяся в направлении оси n' и поэтому имеющая большую скорость, обгонит волну колеблющуюся в направлении n'_g с меньшей скоростью, на некоторую величину Д (дельта), называемою разностью хода.

Выйдя из минерала, обе плоскополяризованные волны будут перемещаться с одинаковыми скоростями, сохраняя разность хода и направления колебаний, которые они приобрели в кристалле.

Проходя через верхний николь (анализатор) под углом к плоскости его колебаний, каждая из волн вновь разложится на две. Для одной пары k''₁ и k'₂ направлением возможных колебаний явится плоскость колебаний анализатора А, перпендикулярная к плоскости рисунка, для другой пары k'₁ и k'₂ - перпендикулярная ей плоскость П, лежащая в плоскости рисунка. Волны, колеблющиеся в направлении А, получат полное внутреннее отражение и погасятся оправой анализатора; волны, колеблющиеся в направлении П, поляризованы в одной плоскости, имеют одинаковую длину и поэтому способны интерферировать.

Таким образом, верхний николь в системе поляризатор - кристалл - анализатор не только позволяет отличать изотропный минерал от анизотропного, но и создает условия, необходимые для интерференции.

Учитывая необходимость ясно понимать оптические явления, наблюдаемые в минерале при скрещенных николях, подчеркнем основной вывод, который заключается в следующем. Минерал в анизотропном сечении при повороте столика микроскопа на 360° четыре раза погаснет и четыре раза приобретет некоторую интерференционную окраску. Момент погасания свидетельствует о том, что направления, вдоль которых минерал пропускает световые колебания (оси эллиптического сечения индикатрисы), совпали с направлением колебанийполяризатора и анализатора (с нитями окулярного креста).

6. Исследование оптических свойств кристаллов при двух николях в параллельном свете

При скрещенных николях в параллельном свете определяют силу двойного лучепреломления минералов, положение осей оптической индикатрисы относительно кристаллографических направлений (ориентировку индикатрисы), а также выявляют некоторые особенности строения минералов -- наличие двойников, зональности и др.

Определение силы двойного лучепреломления.

Луч света, проходящий через пластинку анизотропного минерала, разбивается на два луча с разными показателями преломления, распространяющиеся с различными скоростями, и колеблющиеся во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Силой двойного лучепреломления (D) называется величина, показывающая насколько показатель преломления одного луча отличается от показателя преломления другого:

D = n₁ - n₂ , {1}

где n₁ и n₂ - величины показателей преломления.

Сила двойного лучепреломления - величина переменная. Она изменяется от 0, когда луч направлен по оптической оси кристалла, до какого-то максимума, когда луч направлен перпендикулярно к оптической оси (в одноосных кристаллах) или к плоскости оптических осей (в двуосных кристаллах). За истинную величину силы двойного лучепреломления (ведь только она может использоваться для определения минералов) принимают ее максимальное значение:

D = n_g - n_p , {2}

где n_g - наибольший по величине показатель преломления данного минерала, а n_p - наименьший.

Определение силы двойного лучепреломления минералов основано изучении явления интерференции световых волн, проходящих через кристалл в шлифе. Выше было сказано, что луч света, входя в кристалл, раздваивается, и каждая из образовавшихся световых волн распространяется в кристалле со своей скоростью. В результате один луч обгоняет другой, и между ними возникает разность хода (R). Величина разности хода измеряется в миллимикронах и прямо пропорциональна длине пути, пройденного в анизотропной среде, то есть толщине кристаллической пластинки - (толщина шлифа) и силе двойного лучепреломления данного кристалла - D:

R = d D = d (n_g - n_p) {3}

Наличие определенной разности ходе при прохождении лучей света через анализатор обусловливает их интерференцию, вследствие чего зерна минералов при изучении их под микроскопом в белом света приобретают интерференционные окраски. При этом каждому значению разности хода соответствует своя интерференционная окраска.

Следовательно, по характеру интерференционной окраски можно определить разность хода - R, которая, в свою очередь, связана с искомой уже известной зависимостью. В конечном итоге, определение силы двойного лучепреломления минерала сводится к определению интерференционной окраски. При определении силы двойного лучепреломления минералов пользуются таблицей Мишель-Леви.

По горизонтальной оси этой нанесены величины разности хода (в миллимикронах) с соответствующей им интерференционной окраской (в виде вертикальных полосок соответствующих цветов). При увеличении R цвета периодически повторяются, это позволяет разбить их на порядки.

В первый порядок входят цвета: серый, белый, желтый, оранжевый и красный, постепенно переходящие друг в друга. Второй и третий порядки начинаются с фиолетового цвета, далее следуют синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. В первом порядке имеются отсутствующие в других порядках серый и белый цвета, но нет синего и зеленого.



Рисунок 17 - Определение цифрового значения двупреломления по номограмме Мишель-Леви.

По вертикальной оси таблицы отложена толщина шлифов (в сотых и тысячных долях мм). Из нижнего левого угла таблицы веерообразно вверх и вправо расходятся прямые линии, на концах которых указаны значения силы двойного лучепреломления. (Рис. 17)

Для практического определения силы двойного лучепреломления необходимо под микроскопом найти наивысшую интерференционную окраску минерала и точку пересечения ее на таблице Мишель-Леви с горизонтальной линией, соответствующей стандартной толщине шлифа =0,03 мм. Через эту точку проходит одна из веерообразно расходящихся линий, на верхнем конце которой и указана искомая величина равная n_g - n_p.

При изучении интерференционной окраски минерала необходимо определить ее порядок. Для этого пользуются так называемым правилом каемок и методом компенсации.

Способ определения «по каемкам» очень прост. В шлифе выбирают зерно исследуемого минерала, периферическая часть которого скошена на клин. В пределах скоса толщина пластинки d переменная и, следовательно, переменная разность хода. Указанное обусловливает появление цветных каемок, представляющих собой последовательную смену цветов интерференции от низких цветов первого порядка в тонкой периферической части зерна к более высоким в его внутренней части (рис. 18). Сопоставляя чередование цветов в каемках с цветной номограммой, легко прийти к выводу о порядке цвета интерференции в центральной части исследуемого зерна. Чем круче скошено зерно, тем уже цветные каемки; если край зерна вертикален, каемки отсутствуют. В этом случае вопрос о порядке цвета интерференции минерала в данном сечении может быть решен только с помощью компенсатора.

Рисунок 18 - Образование цветных каемок по периферии скошенных зерен: 1-серый, 2-белый, 3-желтый, 4-красный, 5-синий, 6-зеленый, 7 - желтый.

Определение двойного лучепреломления с помощь компенсатора

Компенсатор представляет собой прибор, изготовленный из кристаллов кварца и гипса. В том случае, когда он имеет постоянную разность хода около 550 миллимикрон, (что соответствует собственной интерференционной окраске кварца или гипса - красной первого порядка), то его называют кварцевой пластинкой. Компенсатор, называемый кварцевым клином, представляет в поперечном разрезе пластинку в форме тонкого клина. Его разность хода переменная. На оправе указана его оптическая ориентировка, обычно сходная с той, которая указана для гипсовой и кварцевой пластинок (рисунок 19).



При вдвигании кварцевого клина в прорезь тубуса микроскопа изменяются последовательно интерференционные цвета от начала первого порядка до четвертого порядка.

При определении силы двойного лучепреломления используется правило компенсации. Известно, что разность хода в кристаллическом зерне возрастает пропорционально длине пути, проходимого световыми волнами в этом зерне. Поэтому если на пути распространения света, над кристаллическим зерном поместить другую кристаллическую пластинку (в данном случае компенсатор) таким образом, чтобы направления одноименных осей оптических индикатрис зерна и компенсатора совпадали, то результирующая разность хода будет равна сумме разностей хода зерна и компенсатора, что вызовет повышение интерференционной окраски.

Если поместить компенсатор таким образом, что будут совпадать разноименные оси оптических индикатрис зерна и компенсатора, то суммарная разность хода будет равна разности разностей хода зерна и компенсатора, что приведет к уменьшению порядка интерференционной окраски. Если разность хода компенсатора будет равна разности хода в исследуемом зерне минерала, то в итоге общая разность хода световых волн будет равна нулю или, как принято говорить, произойдет компенсация разности хода в зерне, а зерно приобретет серую интерференционную окраску первого порядка.

Порядок работы при определении двупреломления минерала методом компенсации:

1. По цветам интерференции кварца или плагиоклаза оценивают толщину шлифа.

2. Отыскивают в шлифе зерно исследуемого минерала с наиболее высокой интерференционной окраской. Для этого просматривают шлиф, перемещая его по поверхности столика микроскопа, переходя от одного поля зрения к другому. Каждое поле зрения наблюдают при поворотах столика микроскопа на некоторый угол, так как иначе легко пропустить нужное зерно, которое может случайно оказаться в положении погасания.

3. Устанавливают найденное зерно на крест нитей и затем поворотом столика микроскопа ставят минерал на погасание. В таком положении оси индикатрисы минерала параллельны направлениям колебаний в николях.

4. От положения погасания поворотом столика микроскопа против часовой стрелки на 45° ставят минерал на максимальное просветление. При этом одна из осей индикатрисы окажется параллельной прорези тубуса микроскопа.

5. Вставляют в прорезь тубуса компенсатор (пластинку или клин), и по реакции компенсатора устанавливают порядок цветов интерференции.

6. По номограмме Мишель-Леви определяют цифровое значение величины двупреломления.

Изучение характера погасания и типов погасания.

Углом погасания минерала называется угол между одной из осей оптической индикатрисы n_g, n_m, n_p и какой-либо кристаллографической осью. В кристаллах может наблюдаться прямое или косое погасание. Если в момент погасания ребро кристалла или трещины спаянности расположены параллельно колебаниям одного из николей, погасание будет прямым; если же в этот момент ребро или трещины спайности расположены косо к колебаниям в николях, - погасание будет косым. Если в момент погасания ребра кристалла или трещины спайности расположены под одинаковыми углами к колебаниям в николях, - погасание будет симметричным.

Углы погасания замеряют относительно креста нитей в окуляре, которые располагаются параллельно колебаниям николей.

Порядок работы при определении угла погасания:

1. Находят разрез минерала с наиболее высокими цветами интерференции и системой четких параллельных трещин спайности. Выбранное зерно помещают на центр креста нитей.

...