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

личение или уменьшение разности хода в зависимости от сходства или различия их оптической ориентировки с исследуемым зерном.

Теоретические основыДомпенсационная пластинка представляет собой тонкую табличку анизотропного кристалла и, следовательно, обладает двумя направлениями колебаний, располагающимися под пря­ мым углом друг к другу в плоскости, параллельной столику микро­ скопа. Эти направления обозначаются Ng ц Np- При введении в оп­ тическую систему они располагаются под углом 4 5 ° к направлениям колебаний поляризатора и анализатора. На оправе пластинки обычно стрелкой обозначается направление Ng или оба направления. Каждая пластинка обладает собственной разностью ход^ (и, следовательно, определенным цветом интерференции), зависящей от толщины, до ко­ торой она пришлифована. Так, разность хода гипсовой пластинки со­ ставляет 5 5 0 нм и вызывает появление в поле зрения красной ин­ терференционной окраски первого порядка (фиг. 5 -1 0 ) при введении только одной пластинки (без препарата) в оптическую систему ми­ кроскопа при скрещенных николях.

В случае когда на траектории света присутствует кристалл (не в положении погасания), суммарная разность хода системы изменит­ ся и возникнет новая интерференционная окраска. Если при этом на­ правления Ng кристалла и пластинки будут грубо параллельными, то суммирование разностей хода и кажущаяся разность хода системы

кристалл - пластинка обусловит появление более высокой интерферен­ ционной окраски (по шкале цветов интерференции) по сравнению с ок­ раской, сообщаемой одной пластинкой. Наблюдателю будет казаться, что зерно приобрело более высокую интерференционную окраску, од­ нако в равной мере можно считать, что это произошло с той частью пластинки, которая располагается над зерном. По существу мы имеем дело с окраской всей системы кристалл - пластинка, и именно она важна для нас в данном случае.

Если кристалл расположится таким образом, что его направление Np станет грубо параллельным Ng пластинки, то возникнет вычита­ ние разностей хода, общая разность хода системы кристалл — пластин­ ка станет меньше, чем при одной пластинке, и цвет интерференции понизится.

Лучше всего явления интерференции кристалла и пластинки мож­ но понять исходя из принципа Фермата /уравнение (5 -1 )/

А= t [Ng —Np].

Вданном случае [ Ng -N p] - больший и меньший показатели пре­ ломления либо кристалла, либо пластинки. Член уравнения ( Ng —Np) для рассматриваемой системы представляет собой сумму аналогичных

вычитается.

При введении пластинки наблюдатель непрерывно видит кристалл и обращает внимание на кажущееся изменение его интерференционной окраски. Полезно, однако, запомнить, что именно кристалл изменя­ ет окраску пластинки. Часто кристалл перед введением пластинки об­ ладает серой интерференционной окраской первого порядка. При вве­ дении гипсовой пластинки (А =550 нм) цвет интерференции системы кристалл - пластинка становится или голубым второго порядка, или желтым первого порядка. Обе окраски в шкале цветов интерференции располагаются выше, чем серая первого порядка. Однако голубой цвет возникает в результате сложения разностей хода (красный цвет плас­ тинки плюс серый цвет кристалла), тогда как желтый цвет обуслов­ лен их вычитанием (красный цвет пластинки минус серый цвет крис­

Обычно наблюдаемое зерно не имеет плоской формы. В этом слу­ чае у него будут наблюдаться не один, а несколько цветов интерфе­ ренции, поскольку разность хода зависит не только от двупреломления, но и от толщины зерна. Возникает необходимость в некоторых терминах, характеризующих кажущееся поведение при введении плас­ тинки не одного, а ряда цветов интерференции.

Когда кристалл ориентирован таким образом, что совместно с ним разность хода пластинки возрастает и возникают более высокие ок­

явления результирующих более низких окрасок шкалы цветов интерфе­ ренции говорят об их понижении.

Практические приемы. Для определения характера направления колебаний, пропускаемых кристаллом ( Ng или Np ) t необходимо знать ориентировку направления большего показателя преломления в компенсационной пластинке и наблюдать при скрещенных николях

эффект, который оказывает на интерференционную окраску пластинки кристалл, находящийся не в положении погасания. В конечном счете суть дела сводится к ориентировке интересующего нас направления колебаний таким образом, чтобы можно было наблюдать лишь явле­ ние, обусловленное колебаниями света именно в этом направлении.

В компенсационных пластинках, прилагаемых к большинству мо­ делей микроскопов, Направление большего показателя преломления при введении в оптическую систему ориентируется на северо-восток. Именно этот тип ориентировки и принят в качестве стандартного в настоящей книге. Если при введении такой пластинки над кристаллом, не находящимся в положении погасания, интерференционная окраска повышается, то это означает, что направление Ng кристалла также ориентировано на северо-восток. При понижении цвета интерференции, наоборот, на северо-восток ориентировано направление кристалла /Ѵр( После того как интересующее нас направление выяснено только что описанным способом, можно повернуть зерно против часовой стрелки (при обычной ориентировке плоскости колебаний поляризатора С - Ю ) до погасания и, выдвинув анализатор, производить другие необходи­

наиболее целесообразно использовать при исследовании минералов с цветами интерференции первого порядка (как это показано на фиг. 6 - 2 ) . В этом легко убедиться, наблюдая с ней кварц в шлифах, зерна апаг тита в иммерсии или пластинку слюды, помещенную на столик. М е­ нее удобна гипсовая пластинка при наблюдении минералов с интерфе+ ренционными окрасками высоких порядков, поскольку цвета интерфе­

никает путаница с цветами первого порядка. Иногда слюдяная плас­ тинка оказывается полезной при изучении зерен с цветами интерфе­ ренции высоких порядков. Поскольку слюдяная пластинка не имеет каких-либо специальных преимуществ, ее нельзя считать необходимой принадлежностью микроскопа.1

1 В современных отечественных моделях микроскопов эта плас­ тинка обозначается "Кв. кр. 1" (кварцевая кристаллическая пластин­ ка, окраски первого порядка). Обозначение слюдяной пластинки -

сл. 1/4 X . _ Прим, ред.

или повышения цветов интерференции у линзовидных зерен. У таких зерен наиболее низкие интерференционные окраски располагаются по краям, где толщина минерала уменьшается. По мере вдвигания квар­ цевого клина тонким концом вперед цветные полоски, параллельные границам исследуемого зерна, перемещаются или к его центру, или к краям. При их движении в сторону наиболее толстой части зерна во время вдвигания кварцевого клина происходит замена относитель­ но высоких цветов интерференции низкими. Окраска в центре зерна

Фиг . 6-2. Изменение белых окрасок первого порядка при введении гипсовой пластинки.

понижается. Наоборот, при движении полосок в сторону более тонких частей зерна происходит замена низких цветов интерференции более высокими. Интерференционные окраски повышаются. Для того чтобы оценке перемещения цветных полосок в зерне не мешало само движе­ ние кварцевого клина, необходимо наблюдать за границами минерала, ориентированными вдоль длинной оси клина, с тем, чтобы эти два на­ правления движения цветных полос оказались перпендикулярными.

Мнемоническое правило для наблюдений зерен при введении квар­ цевого клина тонким концом вперед следующее: интерференционные цветные полоски на тонких краях зерна

двигаются вверх по склону - окраска понижается, двигаются вниз по склону - окраска повышается.

Хороший пример поведения цветных полосок дают зерна кварца в иммерсионной жидкости.

При определении направлений большего и меньшего показателей преломления минерала посредством наблюдения понижающихся и по­ вышающихся цветов интерференции рекомендуется с целью контроля повторять наблюдение после поворота зерна на 9 0 ° . После такого поворота создаются обратные соотношения направлений колебаний пластинки и зерна. В новом положении введение компенсационной пластинки должно обусловливать прямо противоположные движения цветных полосок.

третье. В большинстве случаев величина двупреломления имеет весь­ ма важное значение для диагностики минералов, а поскольку измере­ ние двух показателей преломления на одном зерне довольно затруд­ нительно, определение двупреломления производится посредством из­ мерения Д и d. Проблеме точного измерения Д уделялось боль­ шое внимание в течение многих лет.

Методы приблизительной оценки.1 Разность хода какого-либо се­ чения кристаллического вещества непосредственно связана с макси­ мальным наблюдающимся цветом интерференции. В пределах первых трех или четырех порядков цвета интерференции можно определять на глаз, но при более высоких окрасках редко удается даже оценить нх порядок. Существует несколько методов оценки интерференционных окрасок.

Определение характерных окрасок . Непосредственно на глаз мож­ но определить серый цвет интерференции первого порядка, поскольку он не повторяется в более высоких порядках. Белый цвет первого по­ рядка можно спутать лишь с цветами интерференции очень высоких порядков. При некотором опыте удается на глаз различать относи­ тельно высокие цвета первого порядка и низкие окраски второго по­ рядка. Цвета интерференции выше, чем голубой второго порядка, лег­ ко спутать с другими, идентификация их возможна лишь по их поло­

кристаллов по направлению от краев к утолщению в середине цвета интерференции последовательно возрастают, начиная с окрасок перво­ го порядка. В пределах каждого порядка по одному разу появляется каждая окраска. Красный цвет имеет слабую интенсивность и часто кажется темной полосой, прилегающей к ближайшей голубой полоске. Каждая темная полоска отсекает по порядку. Таким образом, порядок какой-либо полосы может быть определен простым подсчетом темных полосок.

Компенсация вспомогательными пластинками. При отсутствии зе­ рен с тонкими краями для определения порядка окраски (не выше четвертого) можно прибегать к компенсационным пластинкам. Огра­ ничение четвертым порядком прежде всего определяется пределами кварцевого клина. Для определения порядка с помощью кварцевого клина зерно должно находиться в таком положении, чтобы была воз­ можность компенсации (т.е. интерференционная окраска зерна при введении клина должна понижаться). После того как при введении кварцевого клина интерференционная окраска зерна понижается до серой, изотропная часть поля зрения вне зерна соответствует (по интервалу кварцевого клина) порядку цвета интерференции определяе­ мого кристалла. Момент наступления компенсации наряду с появлени­ ем серой окраски в испытуемом зерне определяется также тем, что сразу же после компенсации цвета интерференции при дальнейшем вдвигании клина начинают повышаться. Для более точных определений используется кварцевый клин с выгравированной на оправе шкалой. Для прочтения цифр на этой шкале используется окуляр Райта со спе­ циальными делениями.

Измерение разности хода компенсаторами. Иногда возникает не­ обходимость в точных определениях разности хода, величина которой обычно в таких случаях оказывается небольшой. Такие измерения можно производить с помощью различных компенсаторов, каждый из которых имеет свои достоинства и сферу применения.

В основе использования всех компенсаторов лежит один главный принцип - понижение разности хода до нуля посредством того или иного механического его перемещения, величину которого можно увя­ зать с точно отградуированной шкалой. Отсчеты, взятые по такой шкале, переводятся в величину разности хода по калибровочному урав­ нению или специальной таблице. Ниже описаны наиболее широко ис­ пользуемые компенсаторы.

Комбинированный кварцевый клин Райта представляет собой кли­ новидную кварцевую пластинку с нанесенной на ее оправе шкалой, по которой непосредственно берется отсчет разности хода с точностью ±5 нм. Компенсатор Берека - наиболее употребительный прибор при обычной работе. Главный элемент этого прибора - пластинка исланд­ ского шпата, вырезанная перпендикулярно оптической оси, которую можно вращать относительно горизонтальной оси при помощи калибро­ ванного барабана. Этот прибор позволяет производить компенсацию до четвертого порядка и особенно удобен для измерения небольших и умеренных величин разности хода. Компенсатор Берека выпускает­ ся фирмой "Лейтц" 1. Фирмой "Цейсе" выпускается примерно такого

В Советском Союзе выпускается поворотный компенсатор типа Берека. - Прим. ред.

компенсатора лежит явление эллиптической поляризации. В первом из этих приборов прибегают к вращению анализатора, а во втором - к повороту специальной пластинки относительно вертикальной оси. Оба компенсатора предназначены для измерения малых величин раз­ ности хода с применением монохроматического света. Вообще боль­ шая точность определений с любыми компенсаторами достигается при использовании монохроматического света.

Мы не будем здесь детально рассматривать теоретические осно­ вы и практические приемы работы с компенсаторами. По этому по­ воду читатели могут найти много полезных советов в инструкциях, прилагаемых к компенсаторам выпускающими их фирмами. Хороший общий обзор всех упомянутых выше компенсаторов приводится Бурри /10/, эллиптические компенсаторы рассмотрены Хартшорном и Стьюартом /53/. Джохенсен /63/ приводит подробный исторический обзор использования весьма различных компенсационных устройств1

ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ПРЕПАРАТА

Если известна величина двупреломления В , то толщину зерна можно определить по данным измерения разности хода Д /уравне­ ние ( 5 -2 )/ . В иммерсионных препаратах толщина зерен обычно пред­ ставляет мало интереса для исследователя, поскольку она сильно ме­ няется от зерна к зерну. Наоборот, при изучении шлифов этот пара­ метр весьма полезен ввиду его однородности для всех зерен. При доводке шлифов до стандартной толщины порядка 3 0 мкм обычно ориентируются на характерную для такой толщины максимальную ин­ терференционную окраску кварца в соломенно-желтых тонах. Ниже рассматриваются соотношения цвета интерференции, толщины и дву­ преломления.

Специальные методы . При помещении в препарат в качестве внутреннего стандарта зерен кварца можно точно определять тол­ щину зерен, вмонтированных в бакелитовые пластинки, а затем совместно с ней приполированных. Для этого используют зерна кварца, оптические оси которых располагаются параллельно плос­ кости столика. Для таких зерен определяют разность хода, а по­ скольку двупреломпение их известно и фактически постоянно, лег­ ко вычисляется толщина препарата. Эта последняя величина за ­

тем используется после измерения разности хода в неизвестных кристаллах для вычисления двупреломления. При работе с такими препаратами необходима тщательная шлифовка, обеспечивающая их равную толщину по всей площади. Эта методика рассмотрена Хессом /56/, который использовал ее для измерения двупрелом­ ления плагиоклазов и ромбических пироксенов.

ДВУПРЕЛОМЛЕНИЕВ ОТДЕЛЬНЫХ СЕЧЕНИЯХ

Если известна толщина зерна и цвет интерференции минерала от­ носится к распознаваемому порядку, можно определить двупреломление в любом плоском срезе в шлифе. В случае если толщина неиз­ вестна, но примерно одинакова, можно оценивать относительную ве­ личину двупреломления двух зерен при условии, что их интерферен­ ционная окраска относится к низким порядкам. На фиг. 5 -1 0 графи­ чески отражена зависимость между цветами интерференции и раз­ ностью хода, а уравнение (5 -2 ) выражает соотношения между раз­ ностью хода, толщиной препарата и двупреломлением. Эти же соот­ ношения даются на диаграммах, типа построенной Мишель-Леви /85/, на которых по абсциссе приведены величины разности хода, по ор­ динате - толщина препарата, тогда как сериями радиальных линий, исходящих из начала координат, показаны отдельные величины дву­ преломления.

На фиг. 6 -3 показана упрощенная схема такой диаграммы. При использовании диаграмм этого типа устанавливают цвет интерферен­ ции и в соответствующей вертикальной колонке находят его Пересе­ чение с горизонтальной линией, отвечающей установленной толщине препарата. От точки этого пересечения перемещаются вверх по бли­ жайшей диагональной линии, в конце которой и читают искомую ве­ личину двупреломления. Таким образом, проблема определения дву­ преломления при использовании диаграммы сводится к установлению положения интерференционной окраски в шкале цветов интерференции и толщины зерна.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ КОЛЕБАНИЯ СВЕТА

По существу вся остальная часть книги посвящена одному вопро­ су - каким образом определять те или иные направления колебаний и затем их использовать. Существуют определенные главные направ­ ления колебаний, представляющие наибольший интерес. В двуосных кристаллах существуют три таких направления, соответствующие наи­ большему, наименьшему и среднему показателям преломления. В по­ следнем случае свет распространяется вдоль какой-либо оптической оси. В одноосных кристаллах имеются только два главных направле­ ния колебаний, соответствующие наибольшему и наименьшему показа­

телям преломления. Один из них аналогичен среднему показателю преломления цвуосных кристаллов и располагается перпендикулярно их единственной оптической оси, но в одноосных кристаллах это на-

Деупреломление

Ф и г. 6-3. Номограмма цветов интерференции (диаграмма Мишель-Леви )

правление колебаний может соответствовать или наименьшему или наибольшему показателю преломления. Следовательно, одноосный крис­ талл можно рассматривать как частный случай двуосных, при кото­ ром средний показатель преломления равен наибольшему или наи­ меньшему.

Глава 7

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ

Для определения одноосных минералов необходимо детально знать их оптические параметры. Эти сведения должны быть достаточны, чтобы можно было установить направления колебаний в одноосных зернах и связать их с теми или иными кристаллографическими на­ правлениями. В этой главе рассматривается индикатриса одноосных кристаллов,-условная фигура (поверхность), отражающая величины показателей преломления и ориентировку связанных с ними направле­ ний колебания по отношению ко всем кристаллографическим направ­ лениям кристалла.

НАПРАВЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ

ИПОКАЗАТЕЛИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Впредыдущих главах рассматривалось несколько положений о поведении света в одноосных кристаллах:

Вдоль единственной оптической оси свет распространяется лишь с одной постоянной скоростью.

При распространении во всех остальных направлениях, кроме параллельного оптической оси, свет разлагается на два плоскополяризованных луча, распространяющихся с различной скоростью

иколеблющихся во взаимно перпендикулярных плоскостях. В свя-і зи с этим у каждого зерна имеется направление колебаний наи­ большего показателя преломления Ng и наименьшего показателя преломления Np.

Эти направления колебаний располагаются перпендикулярно к направлению распространения волны света.

Эти общие положения можно дополнить несколькими уточнениями

относительно плоскополяризованных лучей света в одноосных кристал­ лах. Один из лучей проходит сквозь такие кристаллы в любых направ­ лениях с одинаковой скоростью. Этот компонент света получил наз­ вание обыкновенного луча (луча о ). Показатель преломления обык* новенного луча обозначается No (со) . Другой луч называется необык­ новенным (луч е ). Скорость его прохождения сквозь кристалл за­ висит от направления, в котором он распространяется. В том случае^ если необыкновенный луч распространяется в направлении, параллель­ ном оптической оси, скорость его прохождения становится равной скф-