книги из ГПНТБ / Стойбер, Р. Определение кристаллов под микроскопом

БЕЛЫЙ (ПОЛИХРОМАТИЧЕСКИМ) СВЕ'Г

Цвета интерференции. В предыдущих разделах явление интерфе­ ренции рассматривалось на примере прохождения в оптической систе­ ме монохроматического света. В общем случае при использовании бе­ лого света в результате интерференции обычно возникает окраска, соответствующая какой-либо составной части белого света. Это объясняется тем, что волны определенной длины гасятся, тогда как остальные проходят сквозь оптическую систему без изменений. Как уже может предположить читатель, затухает свет с длинами волн, которые точно или почти отвечают соотношению А = п А.

Ф и г. 5-9. Изменения интенсивности света по мере изменения разности хода интерферирующих волн.

Цвета интерференции можно увидеть, рассматривая пластинку мус­ ковита между скрещенными поляроидами. Отщипнем от кристалла лис­ ток слюды толщиной в две-три страницы этой книги и поместим ее между двумя пластинами поляроида. Эти пластины первоначально бы­ ли наложены друг на друга таким образом, что свет сквозь них не проходил. После того как между ними помешена слюда, мы можем легко убедиться, что сквозь всю систему начал проходить окрашен­ ный свет. Это и есть цвета интерференции.

Взятая кристаллическая пластинка имеет постоянную толщину, а следовательно, и постоянную разность хода (уравнение 5 - 2 ) , вы­ раженную в единицах длины (нм), для волн света любой длины. Бе­

лый свет состоит из волн всех длин в пределах видимой-части спек­

проходят сквозр систему с уменьшением интенсивности, в той или иной мере затухая. И наоборот, все волны, длины которых близки к

Ф и г. 5-10. Графическое изображение цветов интерференции.

Показаны суммарные интерференционные окраски для различных величин раз­ ности хода, получаемые в результате суммирования интенсивности света .

Глаз наиболее чувствителен к желтому свету.

соотношению А = пХ + А/2 , становятся наиболее интенсивными. Видимый наблюдателю цвет соответствует комбинации волн таких длин, при ко­ торых они проходят сквозь систему с максимальным и почти макси­ мальным усилением интенсивности.

На фиг. 5 -1 0 схематически показано, каким образом суммируют­ ся интенсивности нескольких волн, входящих в состав белого света, обусловливая возникновение суммарного цвета интерференции. На этом графике приведены шесть волн различной длины, соответствующие шес­ ти цветам видимой части спектра. Каждая волна показана в виде из­ менения интенсивности соответствующего света как функция от раз­ ности хода, т.е. на графике конкретно отражена та же зависимость, Как и на фиг. 5 - 9 , только по оси абсцисс даются абсолютные велинины длины в нанометрах. Минимум интенсивности каждой волны со -

нию, определить суммарный цвет интерференции для данной величины разности хода. Верхняя кривая фигуры отражает суммарную интенсив­ ность света и окраски, возникающие в результате интерференции рас­ положенных ниже нее шести кривых. Например, на полосчатом графи­ ке для величины Д =400 нм видно, что фиолетовый свет имеет нуле­ вую интенсивность, тогда как у света остальных цветов интенсивность последовательно возрастает: от голубого, через зеленый, желтый и оранжевый, к красному. В такой комбинации суммарный наблюдающий­ ся цвет интерференции оранжевый.

Шкала Цветов интерференции. При рассмотрении полосчатых гра­ фиков фиг. 5 -1 0 слева направо можно видеть, что некоторые цвета

102 Глава 5

интерференции повторяются. Это так называемые цвета второго и третьего порядка; в более высоких порядках они также появляются,

ко менее отчотливы. Новый порядок начинается через каждые 5 5 0 нм разности хода. Эта величина соответствует длине волны желтого све­

та, так что каждый порядок отделяется от предыдущего полоской красного цвета. Непрерывная последовательность окрасок , возникаю­ щая при равномерном увеличении разности хода, получила название шкалы цветов интерференции.

Лучше всего шкалу цветов интерференции можно наблюдать при помощи кварцевого клина, толщина которого непрерывно увеличивает­ ся, а следовательно, равномерно возрастает и разность хода. Это наблюдение следует производить с коноскопическим освещением и эк— раном из полированного стекла вместо системы линз, расположенных выше поляризатора. Подобная оптическая система описана Фишером /37 /. Цветные изображения шкалы цветов интерференции приведены в ряде печатных работ /68, 9 7 / , причем наиболее точное из них можно найти в книге А . Винчелла /1 2 7/. Выше четвертого порядка цвета интерференции плохо различимы и видны лишь как пастельные оттенки; цвета интерференции высшего порядка имеют яркий кремово­

белый облик, который лучше всего иллюстрируется примером интерфе­ ренционных цветов спайных обломков кальцита.

Погасание, в предыдущем изложении, особенно в связи с обсуж­ дением фиг. 5 -4 и 5 - 7 , рассматривался общий случай кристалличес­ кой пластинки, направления колебаний которой не совпадали с направ­ лениями колебаний николей. При вращении кристалла относительно оси, параллельно которой распространяются волны света, направления его колебаний в некоторый момент совпадают с плоскостью колебаний ннколей. В этом случае свет не проходит, и тогда говорят о погасании зерна. Такое совпадение при полном повороте столика происходит че­ тыре раза, так как направления колебаний в кристалле и николях рас­ полагаются под прямыми углами. Погасание можно легко наблюдать, вращая пластинку мусковита между скрещенными пластинками поляроидов.

Причина погасания кристалла при совпадении направлений колеба­ ний в нем и в николе заключается в том, что в тот же момент одно из направлений колебаний в кристалле оказывается перпендикулярным плоскости колебаний во втором николе. Следовательно, сумма векто­ ров в направлении колебаний второго николя равна нулю, и свет не проходит. Эти соотношения видны на фиг. 5 - 1 1 , похожей на фиг. 5 -5 и 5 - 7 . Заметим, что при повороте от одного положения погасания к другому лишь амплитуда (а следовательно, и интенсивность) выходящего све­ та меняется, проходя через максимум, тогда как окраска его остает­ ся неизменной. Эти соотношения сохраняют силу как для монохрома­

Фиг . 5-11. Погасание и просветление анизотропного кристалла в трех положе­ ниях поворота его вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа (свет рас­

пространяется в этом же направлении), разность хода Д 4 п\.

Направления колебания в кристалле обозначены индексами и • Направ­ ление колебания света в первом поляризаторе показано пунктирной линией со стрелкой, обращенной на север. Направление колебания света во втором поля­

ризаторе совпадает с направлением В -3 > а —направления колебания в кристалле и поляризаторах не совпадают —крис­

талл просветлен; б —направления колебания в кристалле и поляризаторах па­ раллельны - кристалл находится в состоянии погасания; в —направления коле-> бания в кристалле и поляризаторах ориентированы под углом 45° друг к другу —

максимальная просветленность кристалла.

Глава 6

АНИЗОТРОПНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

ВВЕДЕНИЕ

Некоторые кристаллооптические особенности проявляются у всех анизотропных кристаллов, как одноосных, так и двуосных. Соответ­ ственно и некоторые приемы обычной диагностики минералов прило­ жимы ко всем анизотропным кристаллам.

Общее сходство всех анизотропных кристаллов заключается в том, что в основном проходящий сквозь них свет разлагается на два пуча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Эти лучи оп­ ределяют направления колебаний света, располагающиеся под прямым углом друг к другу и к направлениям распространения волн. Исклю­ чение из общего правила составляют лишь направления оптических осей кристаллов. Распространяющийся в этих направлениях свет не разлагается и ведет себя по существу так же, как и в изотропном веществе.

Удобно принять, что при работе с микроскопом свет падает нор­ мально к поверхности обломка и параллельно оси микроскопа1 . Если это так, то направление распространения волн обоих поляризованных лучей совпадает с осью микроскопа, а следовательно, два направле­ ния колебаний в кристалле располагаются параллельно поверхности столика. Скорости распространения двух поляризованных лучей света различны, и соответственно каждому направлению колебаний отвечает свой показатель преломления. Последнее положение составляет осно­ ву определений показателей преломления анизотропных кристаллов. Для идентификации направления колебаний необходимо количественно определить связанный с ним показатель преломления. В связи с этим направления колебаний называют так же, как и соответствующие им показатели преломления. В том случае, когда обломок кристалла на­ ходится в состоянии погасания, направления колебаний в нем распо­ лагаются по линиям С - Ю и В - 3.

НОМЕНКЛАТУРА

Поскольку любой обломок кристалла, располагающийся на столике микроскопа, обладает двумя направлениями колебаний и двумя показа-

1 Это не вполне верно, особенно при включенной откидной собира­ тельной линзе под столиком при коноскопическом исследовании.

телями преломления, направления колебаний можно обозначить как

Dg и Dp или соответственно словами "направления колебаний боль­ шего и меньшего показателей преломления" 1 . Эти показатели пре­ ломления не обязательно максимальный и минимальный для данного вещества, а лишь больший и меньший в конкретном чисто случайном разрезе минерала, параллельном столику микроскопа 2.

ПРОЦЕСС ИССЛЕДОВАНИЯ

Кратко рассмотренные выше общие кристаллооптические особен­ ности анизотропных минералов позволяют производить следующие на­ блюдения:

1 . Распознавать сечения, косо или нормально ориентирован­ ные к оптической оси.

2 . Определять направления колебаний света (положения пога­ сания).

3 . Определять угол погасания, т .е . угол в плоскости столика между направлением колебания и некоторым кристаллографическим направлением (двойниковой плоскостью, спайностью или внешними

ния), обусловленные светом, колеблющимся лишь в одном из двух возможных направлений.

6 . Оценивать двупреломление в исследованных срезах.

При обсуждении оптической иликристаллографической ориентиров­ ки анизотропных минералов по отношению к столику микроскопа при—

Некоторые исследователи предпочитают при рассмотрении этого вопроса исходить из скорости распространения света, а не из пока­ зателей преломления. При таком подходе два компонента света рас­ сматриваются как два луча, распространяющиеся с различной ско­ ростью. Соответственно о направлениях колебаний говорят как о свя­ занных с быстрым и медленным лучами. Из законов преломления сле­

но наблюдаем и определяем направления колебаний и соответствую­ щие им показатели преломления, представление о лучах можно по­ просту отбросить и оперировать лишь с понятиями направлений коле­ баний и показателей преломления.

нято определенным образом называть наблюдаемые разрезы зерен. Так, если мы называем зерно или разрез какой-либо кристаллогра­ фической плоскостью или формой, например разрез по (1 0 0 ), то это означает, что соответствующий кристаллографический элемент распо­ лагается параллельно столику микроскопа. Если же в названии раз­ реза или зерна фигурирует оптическое направление (например, раз­ рез перпендикулярный оптической оси), то это означает, что оптичес­ кая ось совпадает с осью микроскопа.

ПОГАСАНИЕ

Зерна анизотропных минералов во всех разрезах, кроме нормаль­ ных к оптической оси, в скрещенных николях погасают при полном повороте столика микроскопа четыре раза (см. гл. 5 ) . В двух слу­ чаях направления колебаний совпадают с С - ІО и В - 3.

Поставив зерно в положение погасания и выдвинув верхний николь, мы вызвали прохождение сквозь зерно только света, пропускае­ мого поляризатором и обычно колеблющегося в направлении С - Ю. Луч света, колеблющийся во втором направлении, можно наблюдать, Повернув столик на 9 0 ° или, проще того, вдвинув анализатор и по­ ворачивая столик до следующего положения погасания.

Нахождение разрезов, перпендикулярных оптической оси. Если зерно совершенно не просветляется при полном повороте, это харак­ терно для любых разрезов ненапряженных изотропных веществ и для разрезов оптической оси некоторых одноосных минералов. Однако в других случаях разрезы, перпендикулярные оптической оси, одноосных кристаллов при вращении столика несколько окрашены (обычно серые).

Несовершенное погасание . ■ В разрезах, перпендикулярных оп­ тической оси, двуосных и одноосных кристаллов с умеренным или сильным двупреломлением не наблюдается полного погасания. При полном повороте столика эти разрезы выглядят все время серы­ ми или белыми.

Особенно хорошо это явление можно наблюдать в соответствую­ щих разрезах кальцита или NaN03. Для одноосных кристаллов это объясняется тем, что, хотя мы и приняли для простоты, что свет распространяется строго параллельно оптической оси, на самом деле он частично косо ориентирован к плоскости разреза. Этот косо ориентированный свет разлагается на два луча с различными для каждого из них показателями преломления. Таким образом, в той мере в какой разрез освещен косым светом, нам и пред­

ставляется, что в нем проявляется слабое двупреломление. Это яв­ ление усиливается по мере увеличения двупреломления кристалла, сказывающегося даже на небольших долях косо падающего света,

наблюдателя попадает больше косого света. В этом можно легко убедиться, перемещая глаз поперек окуляра при наблюдении раз­ реза, перпендикулярного оптической оси некоторых сильно двупреломляюших минералов.

Волнистое погасание . 'В некоторых случаях при вращении столи­ ка микроскопа погасание волнообразно распространяется по зерну. Каждая частица такого зерна погасает в несколько отличном поло­ жении, что и создает впечатление тени, пересекающей зерно. Это явление, получившее название волнистого погасания, обусловлено не­ сколько различающимся направлением колебаний в разных частях кристалла. Волнистое погасание обычно проявляется у физически де­ формированных (напряженных)кристаллов, например у зерен кварца в шлифах многих метаморфических пород. Этот эффект также часто называют тенями напряжения.

Прямое погасание. Если с направлениями колебаний совпадает какое-либо кристаллографическое направление, например след спайнос­ ти или грани кристалла, темнота наступает при совмещении этого на­ правления с С - Ю или В —3. В таких случаях говорят о прямом по­ гасании минерала. Примеры прямого погасания удобно наблюдать на спайных обломках S г (ОН) 2• 8Н20 или канкринита (фиг. 6 - 1 , а ).

Фи г. 6-1. Погасание кристаллов.

а- прямое погасание. В положении погасания спайность расположена парал­ лельно линии креста нитей; б - симметричное погасание. Угол между двумя направлениями спайности в положении погасания делится пополам линией

креста нитей; в - косое погасание. Спайность в положении погасания ориен­ тирована по отношению к линиям креста нитей под углом , не равным 45°

Симметричное погасание. При симметричном погасании направле­ ния колебаний (линии креста нитей) делят пополам угол между двумя системами спайности. Примеры такого рода можно видеть на спайных

обломках Na N03 или кальцита (фиг. 6 -1 , ).

Косое погасание. При косом погасании или одна спайность рас­ полагается под произвольным углом к направлению колебаний, или

последнее (линия креста нитей) несимметрично делит угол между двумя спайностями. Примеры косого погасания можно видеть у спай­

не совпадают, при наблюдениях с белым светом не удается полу­ чить полного погасания. В положении погасания голубого света кристалл сохраняет красновато-бурую окраску, а в положениях погасания красного света он выглядит голубовато-серым. Этот эффект может затушевываться в зернах минералов с цветами ин­ терференции выше белого первого порядка. Дисперсия сказывает­ ся также и в разрезах нормальных к оптической оси двуосных кристаллов, в которых оптические оси для голубого и красного света не совпадают. В таких разрезах вместо обычной серой или черной окраски могут наблюдаться голубоватые или буроватые цвета. Различные положения погасания для красного и голубого света хорошо наблюдаются на спайных обломках гейландита, для которого характерны белые или серые цвета интерференции. Луч­ ше всего эффект наблюдается при использовании дневного света, посколь­ ку в нем содержится больше лучей с длинами волн голубого света, чем в большинстве искусственных источников освещения.

Углы погасания. 'При косом погасании минерала часто в качест­ ве характерного показателя можно использовать угол (обычно ост­ рый) между кристаллографическим направлением и направлением ко­ лебаний. Диагностическое значение углы погасания приобретают для моноклинных и триклинных минералов. В таких случаях возникает не­ обходимость в однозначной и точной идентификации рассматриваемых кристаллографического и оптического направлений. Измерения углов входят составной частью в более широкую сферу определения оптичес­ кой ориентировки двуосных кристаллов, которая более обстоятельно рассматривается в гл. 1 3 .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ КОЛЕБАНИЯ КОМПЕНСАЦИОННЫМИ ПЛАСТИНКАМИ

В любом анизотропном зерне проявляются два направления коле­ баний, параллельные столику микроскопа. Эти направления распола­ гаются перпендикулярно одно к другому. По отношению к свету, ко­ леблющемуся в одном направлении, кристалл обладает относительно большим показателем преломления, а для света, колеблющегося в дру­ гом направлении, его светопреломление меньше. Компенсационные пластинки используются для определения, какой из двух показателей

преломления связан с данным направлением колебаний. Эти пластин­ ки, известные также под названием вспомогательных, вызывают ув а -