Подготовка микроскопа к работе.

Прежде чем начать работать с микроскопом, необходимо настроить его (провести поверку микроскопа). Эта процедура заключается в следующем:

– отрегулировать равномерность и достаточную яркость освещения;

– при малых увеличениях осветительную систему поднять вверх;

– проверить открытость всех диафрагм;

– для параллельного света вывести из оптической системы линзы Лазо и Бертрана;

– в комбинированных микроскопах вывести из оптической системы отражательные пластинку и призму;

– проверить скрещенность николей (поляроидов);

– отцентрировать рабочие объективы.

Последние два пункта требуют разъяснения.

Скрещенность николей проверяется без шлифа. В правильном положении плоскости поляризации поляризатора и анализатора должны находиться перпендикулярно друг другу. Расположив метку на поляризаторе в положение «0», включив анализатор, должны получить темное поле. Если этого не наблюдается, нужно повернуть анализатор до полной темноты.

Центрировка объектива (или столика микроскопа) заключается в совмещении оси объектива (оптическая ось микроскопа) и оси вращения столика микроскопа. Для этого используются центрировочные винты, которые располагаются на оправе объектива или в других моделях микроскопов – на предметном столике. При отцентрированном объективе, точка, поставленная на перекрестье, при вращении столика не смещается. Если объектив (столик) не отцентрированы, тогда точка с перекрестья смещается.

Центрируют объектив обычно следующим образом: а) выбирают небольшое зерно в шлифе и устанавливают его на перекрестье нитей; затем поворачивают столик на 180^0, зерно при этом сместится; б) центрировочными винтами изменяют положение объектива (или столика) так, чтобы выбранная точка переместилась к кресту нитей на половину того расстояния, на которое она отошла при вращении столика; в) перемещая шлиф, пододвигают выбранную точку на перекрестье нитей; г) проверяют проведенную центрировку вращением столика. Если объектив снова оказывается не центрированным, тогда все указанные операции повторяют (рисунок 6).

Рисунок 6. Слева: а – отцентрированный объектив (столик), б – неотцентрированный объектив (столик). Справа – принцип центрировки.

При сильном нарушении центрировки сначала вращением столика устанавливают, в каком направлении от центра расположена ось вращения. Затем центрировочными винтами перемещают видимые зерна так, чтобы приблизить ось вращения к центру нитей. Когда выбранная для центрировки точка окажется в поле зрения, центрировку проводят обычным способом.

При некотором опыте работы с микроскопом центровку объектива можно осуществлять только центрировочными винтами. В этом случае выбирают маленькую точку, ставят ее на перекрестье, поворачивают столик на 180⁰. Затем выбранную точку передвигают центрировочными винтами на половину расстояния к перекрестью, замечают новую, оказавшуюся на кресте, точку и повторяют операции до тех пор, пока выбранная точка не будет описывать окружность вокруг перекрестья нитей. Такой способ центрировки особенно удобен, когда нежелательно передвигание шлифа.

Градуировка шкалы окуляра с различными объективами.

Для замеров размеров кристаллических зерен и других объектов в шлифе (пор, трещин и т.д.) необходимо знать цену одного деления шкалы окуляра.

Для градуировки шкалы окуляра с любым объективом используется входящий в комплект поставки микроскопа объект-микрометр, в центральной части которого в прозрачном «окошке» нанесена шкала в 100 делений общей длины 1 мм, т.е. цена одного деления 0,01 мм. Путем наложения или параллельного расположения шкалы объект-микрометра и окуляра определяется цена деления последнего (рисунок 7). При использовании объектива с небольшим увеличением шкала объект-микрометра будет меньше шкалы окуляра (правая часть рисунка) с большим увеличением – больше (левая часть рисунка). В любом случае нулевые отметки обеих шкал совмещаются, и решается: а) сколько делений шкалы окуляра приходится на 1 мм шкалы объект-микрометра; или б) какая доля от 1 мм шкалы объект-микрометра приходится на всю шкалу окуляра (100 / 170 делений). Дальше проводятся арифметические расчеты.

Рисунок 7. Совмещение шкалы окуляра и объект-микрометра: а – с большим увеличением, б – с малым увеличением.

При работе с микроскопом необходимо помнить:

1. Фокусировка объекта проводится перемещением столика только вниз от объекта.

2. Стандартная толщина шлифа 0,03 мм.

3. Показатель преломления канадского бальзама 1,5360,002.

Задание: а) изучить устройство микроскопа; б) провести настройку микроскопа к работе: отрегулировать освещение, проверить положение поляризатора и скрещенность нитей, в) провести центрировку объектива (или столика); г) проградуировать следующие объективы: 9^х (10^х), 20^х (21^х).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Изучение неоптических свойств минералов под микроскопом

с одним николем (без анализатора).

Цель работы: На примерах эталонных минералов изучение неоптических свойств минералов.

Основные сведения

Кристаллооптические исследования с помощью поляризационного микроскопа проходящего света можно разделить на три группы:

1. Исследования при одном николе в параллельном свете.

2. Исследования при скрещенных николях в параллельном свете.

3. Исследования при скрещенных николях в сходящемся свете (коноскопия).

С одним николем в параллельном свете могут изучаться неоптические и оптические свойства. К неоптическим свойствам минералов, которые можно наблюдать с одним николем относятся: форма и размеры минеральных зерен (структура), а также спайность.

Изучение формы минеральных зерен. В понятие формы минерального зерна входит степень идиоморфизма и габитус.

Внешняя форма кристаллов (минералов) зависит от структурных особенностей минерала, кристаллизационной способности минерала, условий кристаллизации.

По степени идиоморфизма выделяют следующие структуры минеральных зерен;

1) панидиоморфная (идиоморфная) или эвгедральная – минералы имеют собственные кристаллографические очертания;

2) гипидиоморфная или субгедральная – минералы только частично имеют собственные кристаллографические очертания;

3) аллотриоморфная (ксеноморфная) или ангедральная – минералы не имеют собственных кристаллографических очертаний (рисунок 8).

Общий облик минералов определяется как габитус. Наиболее распространенные виды габитусов приведены на рисунке 9. Следует отметить, что в шлифе мы наблюдаем формы сечений, а не кристаллические формы минералов. Реконструкция объемной формы минералов возможна только при наблюдении многих зерен. Так, например, если наряду с изометрическими сечениями имеются удлиненные, то форма минерала может быть либо призматической, либо таблитчатой.

Рисунок 8. Степень идиоморфизма минералов в шлифах: 1 – идиоморфные, 2 – гипидиоморфные, 3 – ксеноморфные кристаллы.

Тип габитуса	Примеры минералов
Изометрические	Гранат	Оливин
Призматические и игольчатые	Роговая обманка	Силлиманит
Таблитчатые и чешуйчатые	Плагиоклаз	Биотит
Неправильной формы	Кварц	Кальцит

Рисунок 9. Наиболее распространенные виды габитусов минералов.

Для удлиненных в одном направлении (призматических) кристаллов по коэффициенту удлинения «L» (отношение длины к ширине минерала) принято выделять разновидности.

L2 – широкопризматические,

L= 2-4 – призматические,

L= 5-10 – узкопризматические,

L 10 – игольчатые (шестоватые).

Наиболее часто минералы в шлифах наблюдаются в виде зерен изометрической, таблитчатой, призматической формы, реже встречаются минералы, которым присущи шестоватая и игольчатая формы.

По размерам зерен явнокристаллические структуры подразделяются на крупнозернистые – более 5 мм, среднезернистые – 1-5 мм, мелкозернистые – 0,5-1 мм, в т.ч. равномернозернистые и неравномернозернистые. Замеры размеров зерен (один замер для изометрических зерен и два – для удлиненных или таблитчатых зерен) производятся с помощью окуляра со шкалой.

Спайность – это свойство кристаллов раскалываться при ударе или давлении по определенным кристаллографическим направлениям. В зернах минералов, обладающих спайностью, наблюдается система параллельных трещин, хорошо заметных под микроскопом. У минералов, обладающих совершенной спайностью, наблюдаются тонкие, четкие трещины, параллельные друг другу. У минералов с несовершенной спайностью линии трещин чаще широкие или прерывистые, не всегда строго параллельны, однако единое направление трещин видно достаточно отчетливо. Минералы, не обладающие спайностью, не имеют трещин, либо они неровные, извилистые и беспорядочные (рисунок 10).

Рисунок 10. Различный характер спайности минералов: а – совершенная спайность, б, в – несовершенная спайность, г – спайность отсутствует.

Характер трещин спайности у одного и того же минерала в зависимости от сечения меняется. Спайность не наблюдается, если срез проходит параллельно или под небольшим углом к плоскости спайности. Наиболее отчетливо спайность проявляется в сечениях, перпендикулярных к плоскости спайности. В промежуточных сечениях спайность выражена неотчетливо. У минералов, обладающих спайностью в двух направлениях, гораздо чаще наблюдаются разрезы с трещинами, проходящими только в одном направлении. Поэтому для правильной и полной характеристики спайности минерала надо обязательно просмотреть все его зерна в исследуемом шлифе.

Трещины спайности могут проходить в разных направлениях. Например, у слюд спайность в одном направлении. Минералы группы полевых шпатов, амфиболов, пироксенов имеют спайность в двух направлениях; некоторые минералы имеют спайность в трех (кальцит, галит), четырех (флюорит) и в шести (сфалерит) направлениях. Для минералов, имеющих спайность в двух и более направлениях, один из диагностических признаков – угол спайности. Особенно важно его определение для минералов группы амфиболов и пироксенов, отдельные виды которых сходны между собой по ряду других оптических констант и резко различаются по величине угла спайности. У первых он составляет 56⁰, вторых – 87⁰ (рисунок 11).

Рисунок 11. Различные углы спайности в минералах: А – спайность амфибола в двух направлениях; П – спайность пироксена в двух направлениях.

Порядок определения угла между трещинами спайности

1. Находят зерно с хорошо выраженными, т.е. наиболее тонкими и четкими линиями трещин спайности, которые при подъеме и опускании тубуса микроскопа совсем или почти не смещаются.

2. Зерно помещают в центр поля зрения и вращением столика микроскопа одну систему трещин совмещают с вертикальной (или горизонтальной) нитью окуляра и делают отсчет по нониусу. При изучении бесцветных минералов, особенно с показателями преломления, близкими к показателю преломления канадского бальзама, рекомендуется прикрывать диафрагму. В таком случае спайность будет видна более отчетливо.

3. Затем столик микроскопа поворачивают до совмещения с той же нитью окуляра второй системы трещин спайности. Делают второй отсчет.

4. Разница отсчетов дает величину угла спайности.

При изучении минералов с двумя системами спайности следует различать, являются ли они пинакоидальными или призматическими. Это можно проверить, включив анализатор и поставив зерно на погасание. Если затем анализатор выключить и посмотреть, как располагается спайность относительно окулярных нитей, то окажется, что при призматической спайности ее следы будут размещаться параллельно нитям, при пинакоидальной - непараллельно.

Кроме спайности в минералах может наблюдаться трещиноватость – наличие беспорядочно располагающихся трещин.

Важно при определении спайности не путать ее с двойниковыми пластинками (иногда очень тонкими). Линии спайности при любом положении столика микроскопа и с анализатором и без него выглядят как черные линии, более или менее толстые. Двойниковые пластинки с включенным анализатором в анизотропных сечениях меняют интерференционную окраску (рисунок 12).

Рисунок 12. Следы спайности (а) и двойниковые пластинки (б) при скрещенных николях.

По весьма совершенной спайности биотита можно проводить проверку перпендикулярности креста нитей окуляра – по трещинам спайности биотита при вращении столика и последовательном совмещении линий спайности с вертикальной и горизонтальной нитью берутся отсчеты по нониусу. Разница между отсчетами должна составлять 90±1⁰.

Задание: 1) На примере минералов, заметных с одним николем (обладающих рельефом или окрашенных), определить форму и размеры зерен. Рекомендуемые минералы: биотит, пироксены, амфиболы, гранаты, хлорит. 2) Изучить спайность в одном направлении и провести проверку перпендикулярности нитей окуляра на примере биотита. 2) замерить угол спайности у кристаллов пироксенов и амфиболов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Изучение оптических свойств минералов с одним николем

Цель работы: 1) Научиться определять показатель (показатели) преломления минералов по оптическим эффектам: рельефу, шагреневой поверхности, полоске Беке, псевдоабсорбции. 2) Изучить явление плеохроизма.

Основные сведения

Оптические свойства минералов

Все оптические свойства минералов (кристаллов) можно описать с помощью трех оптических констант или оптических постоянных. Оптическими постоянными минералов являются показатель (показатели) преломления n, коэффициент (коэффициенты) поглощения k и коэффициент (коэффициенты) отражения R или отражательная способность.

Оптические постоянные минералов связаны между собой зависимостью. Чем выше значения k и n минерала, тем выше его отражение. У поглощающих минералов величины k и n экспериментально не определяются. Минералы с коэффициентом отражения R>25% имеют вычисленный показатель преломления n>3; если показатель отражения варьирует в пределах R=19-25%, то показатель преломления изменяется в интервале 2,5-3,0. Просвечивающие и прозрачные минералы с R=10-19% имеют n=1,9-2,5; а с низким коэффициентом отражения R, равным 2-10%, показатель преломления изменяется в диапазоне 1,3-1,9.

Формула Бера, связывающая значения n, k и R для случая нормального падения света на поверхность изотропного поглощающего минерала, граничащую с воздухом, выглядит следующим образом:

R=(n-1)²+k² / (n+1)²+k²

Прохождение преломленной волны подчиняется закону Снелиуса-Декарта:

sin  /sin  = const = v₁ /v₂ = n

n – показатель преломления среды 2 относительно среды 1 (если среда 1 воздух или вакуум, то просто показатель преломления данной среды.).

 - угол падения (между перпендикуляром к плоскости раздела сред и лучом).

 - угол преломления.

Оптические свойства минералов связаны с особенностями внутреннего строения кристаллов.

Оптические свойства минералов высшей категории (кубической сингонии), как и аморфных тел, изотропны. Кристаллы (минералы) средних и низших сингоний оптически анизотропны, двупреломляющие – разлагают проходящий свет на две плоскополяризованные волны с взаимно перпендикулярными направлениями электромагнитных колебаний и с разными значениями показателя преломления n (с разными скоростями распространения). Свойство это называется двупреломлением (двойным лучепреломлением), открыто в 1669 году Э. Бартолином. При выходе из кристалла лучи сохраняют первоначальное направление, но остаются плоскополяризованными (рисунок 13).

Рисунок 13. Двупреломление анизотропных кристаллов.

Кристаллы (минералы) средних сингоний оптически одноосны – имеется одно направление в кристалле, в котором не происходит двупреломление – это оптическая ось, которая совпадает с осью высшего порядка. Для этих минералов характерно два показателя преломления: постоянный n_о – обыкновенный, и изменяющийся n_е – необыкновенный (диапазон изменений в зависимости от направления n_о-n_е). Условно принято считать, что если n_еn_о – кристалл оптически положительный, наоборот – отрицательный.

Минералы (кристаллы) низших сингоний оптически двуосны, в них есть два направления, в которых не происходит двупреломление; эти направления называются оптическими осями. В любых направлениях кроме оптических осей образуются два луча, скорости которых меняются в зависимости от направления, т.е. оба луча необыкновенные. Имеются три характеристических показателя преломления n_g, n_m, n_p (большой, средний и маленький). Принято считать, что если n_g-n_mn_m-n_p, кристалл оптически положительный, если n_g-n_m n_m-n_p, – кристалл оптически отрицательный.

Для характеристики оптических свойств минералов используется понятие индикатрисы.

Индикатриса – поверхность, построенная на величинах показателей преломления, отложенных в направлении электромагнитных колебаний световых волн. В общем случае – это эллипсоид с тремя различными осями. Оси симметрии эллиптического сечения индикатрисы – направления, вдоль которых совершаются колебания световых волн в данном сечении кристалла.

Оптическая индикатриса кубических кристаллов имеет форму шара.

Оптическая индикатриса кристаллов средних сингоний, имеющая форму эллипсоида вращения, обладает одним единичным направлением, совмещенным с осью вращения эллипсоида. В эллипсоиде вращения сечение, перпендикулярное оси вращения, представляет окружность. Вдоль оси вращения оптической индикатрисы идет один не раздвоенный луч. Для характеристики оптической индикатрисы таких кристаллов достаточно ограничиться двумя величинами, а именно: половиной величины оси вращения эллипсоида и радиусом его кругового сечения.

Отмеченные величины выражают наибольший и наименьший показатели преломления кристалла – n_g и n_p и численно равные им полуоси оптической индикатрисы Ng и Np (рисунок 14).

Рисунок 14. Оптическая индикатриса кристаллов средних сингоний: слева – оптически положительного, справа – отрицательного.

В вытянутом (положительном) эллипсоиде вращения с осью вращения (главная ось симметрии кристалла) совпадает наибольшая ось индикатрисы (Ng), показатель преломления ng соответствует n_е. Наименьшая ось (Np) соответствует здесь радиусу кругового сечения. В сплющенном (отрицательном) эллипсоиде вращения главная ось симметрии кристалла (ось вращения) отвечает наименьшей оси (Np), а наибольшая ось индикатрисы (Ng) соответствует радиусу кругового сечения. Но в любом случае с оптической осью кристалла совпадает ось индикатрисы Nе.

Эллиптическое сечение индикатрисы, проходящее вдоль оптической оси, называется главным сечением и характеризуется крайними значениями показателей преломления (максимальными в положительных кристаллах и минимальными – в отрицательных). Во всех других эллиптических сечениях индикатрисы необыкновенный луч будет иметь какое-то промежуточное значение n_е, соответствующее осям Ng или Np неглавного эллиптического сечения индикатрисы (см. рис. 14).

Единичное направление кристалла (ось высшего порядка) совпадает с единичным направлением оптической индикатрисы (рисунок 15).

Рисунок 15. Ориентировка оптической индикатрисы в кристаллах средних сингоний: слева – оптически положительного, справа – отрицательного.

Оптическая индикатриса кристаллов низших сингоний представляет собой трехосный эллипсоид с тремя неравными взаимно перпендикулярными осями. Эти три оси по величине отвечают трем разным показателям преломления – n_g, n_m, n_p и обозначаются Ng, Nm, Np. Каждая ось является единичным направлением и соответствует двойной оси симметрии эллипсоида, а плоскость, перпендикулярная оси – плоскости его симметрии.

Трехосный эллипсоид обладает двумя круговыми сечениями, проходящими через Nm. Перпендикулярно каждому круговому сечению проходит оптическая ось. В сечении Ng-Np лежат оптические оси, и поэтому оно называется плоскостью оптических осей. Nm перпендикулярна к плоскости оптических осей и поэтому называется также оптической нормалью. Показатель преломления n_m, соответствующий оси Nm, имеет какое-то промежуточное значение показателя преломления между n_g и n_p, но не является их средним арифметическим. Острый угол между оптическими осями называется углом оптических осей и обозначается 2V. Оси Ng и Np являются биссектрисами этих углов. Когда биссектриса острого угла между оптическими осями совпадает с Ng, имеем оптически положительный кристалл, а при совпадении с Np, кристалл оптически отрицателен. В сечении кристалла, совпадающем с плоскостью оптических осей разница между показателями преломления максимальна (рисунок 16).

Рисунок 16. Оптическая индикатриса кристаллов низших сингоний: слева – оптически положительного, справа – отрицательного.

В ромбических кристаллах всегда присутствуют три взаимно перпендикулярные единичные направления, совпадающие или с тремя двойными осями симметрии или с нормалями к плоскостям симметрии, которым соответствуют три оси индикатрисы. По внешнему виду ромбического кристалла нельзя определить, какая именно ось индикатрисы (Ng, Nm, Np) совпадает с тем или иным его единичным направлением (осью или нормалью к плоскости симметрии).

В кристаллах моноклинной сингонии есть одно характерное кристаллографическое направление, совпадающее с двойной осью (L₂) или нормалью к плоскости симметрии (Р) и совмещенное со второй кристаллографической осью. Это направление является единичным, и с ним всегда совпадает одна из трех осей (одно из трех направлений) оптической индикатрисы (Ng или Nm, или Np). Две другие оси эллипсоида лежат в плоскости, либо перпендикулярной двойной оси (L₂), либо параллельной плоскости симметрии. При этом они образуют некоторые углы с ребрами кристалла. Величины этих улов являются характерными для каждого моноклинного минерала.

В кристаллах триклинной сингонии нет осей и плоскостей симметрии. Все направления единичны. Вследствие этого оптическая индикатриса может ориентироваться в каждом кристалле триклинной сингонии по-разному. В таких кристаллах важное значение имеют углы, образованные осями индикатрисы с ребрами кристалла. Ориентировка оптической индикатрисы в кристаллах низших сингоний показана на рисунке 17.

Рисунок 17. Ориентировка оптической индикатрисы в кристаллах низших сингоний: а – ромбической сингонии; б – моноклинной сингонии; с – триклинной сингонии.