Люминесценция.

Цвет, двойное лучепреломление и поляризация света, блеск минерала связаны с явлениями взаимодействия с ним лучей видимой части спектра электромагнитных колебаний. Люминесценцией называется способность кристаллов светится под влиянием разного рода излучений за пределами длин волн видимого света. В зависимости от вида излучения, используемого для возбуждения, различают фотолюминесценцию (возбуждение ультрафиолетовыми лучами), катодолюминесценцию (возбуждение потоком электронов), электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем), термолюминесценцию (возбуждение нагреванием), триболюминесценцию (возбуждение упругими колебаниями, ударом) и т.д.

Наиболее просто люминесценция минералов наблюдается в ультрафиолетовых лучах в темноте. Нелюминесцирующие минералы остаются черными, у других появляется свечение разного цвета и интенсивности. Иногда свечение продолжается некоторое время в полной темноте после отключения ультрафиолетовой лампы, этот вид люминесценции, послесвечение, называется фосфоресценцией. Принцип появления люминесценции тот же, что и принцип появления окраски в видимых лучах. Возбудителями люминесценции (люминофорами) чаще всего являются ионы переходных металлов - Mn , Cr³⁺, TR²⁺, TR³⁺, комплексные катионы (UO₂)²⁺, точечные дефекты типа О^-, центры перехода (рекомбинации), переноса заряда т.д.

Известны минералы с фиолетовым, голубым, синим, зеленым, желтым, оранжевым, красным свечением в ультрафиолетовых лучах. Иногда разное по силе и цвету свечение наблюдается в пределах одного кристалла. Цвет и интенсивность свечения одного и того же минерала зависят также от его состава и особенностей структуры. Для некоторых минералов люминесценция является важным диагностическим признаком. По яркому голубому или желтому свечению легко определяется алмаз (на этом основан способ его выявления в массе дробленой руды на ленте транспортера на обогатительных фабриках). По синему и желтому свечению легко отличают рудный минерал вольфрама шеелит от кальцита и кварца (у кальцита чаще всего бывает розовое свечение, кварц люминесцирует), по красному свечению рубин отличают от его имитации и т.д.

Оптические свойства.

В естественном свете колебания электрического и магнитного векторов

совершаются в каждый момент в различных направлениях, всегда

перпендикулярных к направлению распространения световой волны (т.е. перпендикулярно к световому лучу) . Такой свет носит название

неполяризованного, или простого. При прохождении через оптически

анизотропную среду свет становится поляризованным. Колебания

поляризованного света проходят лишь в одной плоскости, проходящей через

направление движения световой волны.

Поляризация света происходит при прохождении через все кристаллы, за исключением кристаллов кубической сингонии; последние в оптическом отношении изотропны. Естественный свет, поступающий в кристалл, распадается на две световые волны, распространяющиеся с различными скоростями. Обе волны становятся поляризованными, причём плоскости их колебаний взаимно перпендикулярны. Это явление называется двупреломлением, или двойным светопреломлением. Двупреломление было открыто Бартолином в 1669 г. и в дальнейшем было изучено Х. Гюйгенсом.

В кристаллах тригональной, тетрагональной и гексагональной сингоний имеется только одно направление, по которому не происходит двойного светопреломления. Это направление называется оптической осью, оно совпадает с осью симметрии высшего порядка. Поэтому кристаллы средних сингоний называются оптически одноосными. В кристаллах триклинной, моноклинной и ромбической сингоний имеются два направления, по которым не происходит двойного светопреломления; они в оптическом отношении двуосны.

В кристаллах средних сингоний скорость распространения световых волн различна. Световая волна, распространяющаяся с одинаковой скоростью во всех направлениях, называется обыкновенной, а распространяющаяся в различных направлениях с различной скоростью необыкновенной. Поверхностью первой световой волны является шар, а второй эллипсоид вращения.

Оптические свойства минералов относятся к числу наиболее важных. На них основана методика определения минералов под микроскопом, а такие свойства, как блеск и цвет, для многих минералов определяют их практическую ценность. Световой луч, падая на поверхность минерала, частично отражается от нее, частично преломляется или поглощается минералом. Эти явления называют светопреломлением, светоотражением и светопоглощением. С ними связаны цвета минералов и явления люминесценции.

Светопреломление происходит в результате изменения направления све­тового луча при прохождении его через минерал, обусловленное различными скоростями распространения света в воздухе и в минерале. Для выражения особенностей светопреломления минералов пользуются вспомогательной поверхностью — оптической индикатрисой, имеющей форму эллипсоида. Размер каждого радиуса-вектора индикатрисы представляет показатель преломления (п) кристалла для тех волн, колебания которых совершаются в направлении этого вектора. Для однородноаморфных минералов и мине­ралов кубической сингонии индикатриса имеет форму шара, так как все ее радиусы-векторы одинаковы. Такие минералы называются оптически изо­тропными и для них характерен один показатель преломления.

В минералах других сингонии показатели преломления изменяются с изменением направления поэтому такие минералы называются оптически анизотропными.

Для минералов, кристаллизующихся в тетрагона и гексагональной сингониях, оптическая индикатриса представляет эллипсоид вращения, ось которого является оптической осью. Перпендикулярно к оси располагается круговое сечение, которое означает, что луч проходящий в направлении оптической оси, не испытывает двойного лучепреломле­ния, а колебания световой волны, распространяющиеся перпендикулярно световой нормали, по всем направлениям одинаковы. Оптическая ось совпа­дает с осями симметрии четвертого, третьего или шестого порядка. Минералы этих сингоний в оптическом отношении являются одноосными. В них показа­тели преломления изменяются с изменением направления хода лучей в ми­нерале от некоторого максимального показателя (ng) до минимального (пр). Оптически одноосные минералы, у которых в круговом сечении лежит наименьший показатель преломления, называются положительными. Если в круговом сечении лежит наибольший показатель преломления, то они являются отрицательными.

Минералы, кристаллизующиеся в ромбической, моноклинной и триклинной сингониях, характеризуются индикатрисой в виде трехосного эллипсоида. Оси этого эллипсоида отвечают по значению трем показателям преломления ng, run, пр. В трехосных эллипсоидах есть два круговых сече­ния, перпендикулярно к которым проходят две оптические оси. Минералы ромбической, моноклинной и триклинной сингоний оптически двуосны. Угол, образуемый двумя оптическими осями, обозначается 2V. в зависи­мости от того, каким направлениям в оптической индикатрисе отвечают наибольший (ng), средний (пт) и наименьший (пр) показатели преломления, различают оптически положительные и оптически отрицательные минералы.

Оптически положительными являются такие, в которых наибольший показатель преломления (ng) отвечает положению острой ,т.е биссектрисы острого угла между оптическими осями. Если этому положе­нию отвечает наименьший показатель, то минералы будут оптически отрицательными.

При определении минерала важное значение имеет также характер удлинения минерала, или знак зоны. Если с направлением удлинения мине­рала совпадает больший показатель преломления (ng), то такой минерал относят к имеющим положительное удлинение (+) и наоборот: если с направ­лением удлинения совпадает меньший показатель преломления, минерал имеет отрицательное удлинение (—).

Минералы по характеру удлинения делятся на четыре категории: 1) минерал положительный, удлинение положительное (кварц — SiO₂, циркон — Zr[SiO₄], рутил — ТiО₂); 2) минерал отрицательный, удлинение отрицательное (апатит Са₂Са₃(С1, F, ОН)[РО₄]₃» доломит — CaMg[CO₃]₂); • 3) минерал положительный, удлинение отрицательное (мелилит—Са₂ (Mg, Al) [(Si, Al)₂Si0₇], брусит—Mg(OH)₂); 4) минерал отрицательный, удли­нение положительное (гематит — Fe₂O₃, тальк — Mg₃(OH)₂[Si ₄O₁₀]).

Как известно, в различных средах скорость распространения света неодинакова для разных длин волн. Вследствие этого наблюдается различие в показателях преломления для различных длин волн. Это явление, носящее название дисперсии показателей преломления, обусловливает дисперсию хилы двупреломления и дисперсию угла оптических осей, т. е. разную величину угла оптических осей в кристалле для света разных длин волн.

Положение круговых сечений, нормалями к которым являются оптические оси, опреде­ляется в двуосных кристаллах относительной величиной главных осей инди­катрисы Ng, Nm, Np. Для света разных длин волн эти величины различны, следовательно, и индикатриса для каждой длины волны имеет свою величи­ну. Если форма всех этих индикатрис одна и та же, т. е. если оси Ng, Nm, Np, увеличиваясь или уменьшаясь, сохраняют отношение своих величин, то круговые сечения для света всех длин волн занимают одинаковое положе­ние, и дисперсия оптических осей не имеет места. Чаще всего индикатрисы .для разных длин волн не вполне подобны друг другу следствием чего является несколько различное положение круговых сечений и дисперсия оптических осей. Различают два вида дисперсий угла оптических осей:

1. Угол оптических осей для длинных волн (красных) больше, чем для коротких (фиолетовых). Такой вид дисперсии обозначается r>v (r — rot — красный, v — violett — фиолетовый) или р > v (р — розеос — розовый, v — виакиндинос — фиолетовый).

2. Угол оптических осей для длинных волн меньше, чем для коротких и обозначается r < v или < v.

В некоторых случаях в результате сильной дисперсии меняется поло­жение плоскости оптических осей. Примером может служить брукит (TiO₂, минерал ромбической сингонии, оптически положительный), у которого оси индикатрисы с уменьшением длины волны увеличиваются несколько нерав­номерно: та ось, которая для красных лучей была наименьшей {Np), для синих становится средней (Nm); в связи с этим положение плоскости опти­ческих осей меняется на перпендикулярное.

Явления светопреломления изучают при помощи поляризационного микроскопа в тонких шлифах (толщиной около 0,02 мм) или в порошках, погружаемых в специальные иммерсионные жидкости. Этот метод получил название иммерсионного. Поляризационным микроскопом можно сравнитель­но быстро определять минералы, так как каждому минералу свойственны характерные для него оптические константы.

Мы не будем здесь излагать методики исследования каждого из свойств, что детально дается в курсах кристаллооптики, но отметим, что отдельные явления светопреломления непосредственно связаны друг с другом и являют­ся функцией химического состава минералов и их структуры, следовательно, определение оптических констант позволяет делать выводы о химическом минерала. Делается это с помощью диаграмм, связывающих химического состав физические свойства минералов. Диаграммы значительно облегчают работу по определению минералов.