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

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - ось кристалла аЪс - абсорбция

-двупреломление

-ось кристалла

остр - острая биссектриса

J Tyn - тупая биссектриса

О

- красный свет, 6 5 6 3 А (при показателе преломления)

с- ось кристалла

Е- половина кажущегося угла оптических осей, измеренного

ввоздухе

е- необыкновенный луч света

к- константа Малляра

к- длина волны

-половина угла конической апертуры линзы, также угол по­ ворота столика, необходимый для привода медианной линии

Щ- наибольший показатель преломления в двуосных кристал­

0 —обыкновенный луч света ON _ оптическая нормаль

ОР - плоскость оптических осей

Р- плоскость симметрии

Глава 1

ДИАГНОСТИКА КРИСТАЛЛОВ И ОСНОВЫ КРИСТАЛЛООПТИКИ

ВВЕДЕНИЕ

В книге рассмотрены методы работы с петрографическим мик­ роскопом и необходимые для этоА> элементы кристаллооптики. Р у ­ ководство имеет в большей мере практическую, чем теоретическую направленность. Кристаллооптика представляет развивающуюся ветвь . физики и, помимо решения чисто определительских задач, имеет сво­ ей целью ряд специальных исследований, например кристаллострук­ турный анализ.

При диагностике минералов в большинстве случаев прибегают к петрографическому микроскопу. При изучении шлифов пород также часто наибольшее значение приобретает диагностика слагающих их

минералов. В процедуру диагностики входит измерение многих опти­ ческих и физических констант, которые позволяют не только опре­ делить минерал, но и судить об особенностях его химизма или ус­ ловий кристаллизации (например, о давлении и температуре). Петро­ графический микроскоп используется также для точных количествен­ ных оценок содержаний минералов в горных породах. Исходя из та­ ких количественно-минеральньіх подсчетов и зная состав минералов, можно без труда оценить валовый химический состав горных пород.

К диагностике кристаллов при помощи петрографического микро­ скопа прибегают также химики, керамисты, ювелиры, биологи, физи­ ки и инженеры. В химии оптические методы применяют',1 для разгра­ ничения кристаллографически близких веществ (членов изоморфных серий) ,а также полиморфных модификаций вещества. В тех случаях, когда противопоставляемые вещества достаточно хорошо различают­ ся по оптическим свойствам, для их диагностики может потребовать­ ся иногда всего лишь две-три минуты.

Весьма широкое применение находит поляризационный микроскоп и в биологии /53/. В частности, он используется для изучения кам­ ней, образующихся в почках, некоторых частей мхов /1 1 0/, поведе­ ния клеток при непрямом делении. В связи с этим следует заметить, нто не только кристаллическое вещество может характерным образом воздействовать на поляризованный свет. Однако для исследования некристаллических материалов часто требуется очень строгий кон­

троль поляризационных свойств всех оптических поверхностей ми­ кроскопа. Отрегулированный таким образом прибор представляет уже более сложное устройство, чем обычный петрографический микроскоп.

ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Петрографический микроскоп - оптический прибор, позволяющий исследовать вещество в поляризованном свете. К числу объектов, изучаемых при помощи этого микроскопа, относятся не только крис­ таллы в обычном смысле, но и другие материалы, например клетки живых организмов, строение и свойства которых лучше выявляются при рассмотрении их в поляризованном свете. Настоящее руковод­ ство посвящено прозрачным веществам и оптике проходящего света, однако некоторые положения приложимы и к оптическим исследова­ ниям в отраженном свете, применяемым при изучении непрозрач­ ных материалов.

Хотя главная направленность книги - практика определительской работы с кристаллами, нельзя не отметить, что рассматриваемые в ней общие основы оптики находят многочисленные более сложные

приложения в рентгеноскопии, спектроскопии и астрономии. Одно из крупнейших научных открытий нашего времени - выявление природы межзвездных частиц, которые поляризуют свет и, видимо, представ­ ляют собой кристаллы. Это означает, что в будущем нам придется иметь дело не только с микроскопической, но и с телескопической кристаллооптикой.

Объекты, подлежащие диагностике с помощью петрографического микроскопа, обычно представляют мелкие монокристаллы, дробленые обломки более крупных кристаллов или, наконец, шлифы - тонкие срезы кристаллических веществ. Эти объекты монтируются на пред­ метных стеклах в специальных жидкостях или в прозрачном цемен­ тирующем веществе и накрываются покровными стеклами. Затем про­ изводится определение тех или иных констант, которые вполне обос­ нованно или с долей интуиции позволяют диагностировать вещество. К числу таких констант относятся показатели преломления и связан­ ные с ними величины (например, разность между наибольшим и наи­ меньшим показателями преломления), угол оптических осей и опти­ ческий знак кристалла, окраска и ее вариации в кристалле в разных направлениях, относительная взаимная ориентировка оптических и кристаллографических направлений. Для успешной оценки всех этих параметров необходимо знание элементарной кристаллографии. Полез­ ными для диагностики минералов могут оказаться и некоторые дру­ гие их физические свойства, в частности форма и габитус кристал­

лов, а также удельный вес.

После получения необходимых данных производится определение исследуемого минерала по справочникам оптической минералогии.

В большинстве таких справочников минералы расположены в порядке изменения величины показателей преломления. Часто производят вна­ чале лишь минимальное количество определений с тем, чтобы сразу же ограничить число возможных минералов, а затем уже сознатель­ но определяют константы, имеющие наибольшее диагностическое зна­ чение в данном случае. Однако сомнения в правильности диагности­ ки могут все-таки остаться, поскольку справочные таблицы неполны, свойства минералов изменчивы и оптические константы не всегда имеют точное диагностическое значение. И все-таки микроскопичес­ кие исследования - это наиболее быстрая и простейшая методика точной диагностики минералов, даже если данные микроскопии при­ дется подкреплять определениями других констант, особенно рент­ генографических, спектроскопических или химических.

Относительно неполноты справочных таблиц по оптической мине­ ралогии можно заметить следующее. Существует несколько тысяч природных минералов (не говоря уже об искусственных кристалличес­

минералов характерен переменный состав, а следовательно, и измен­ чивые оптические свойства, так что все они, по существу, должны за­ нимать сразу несколько мест в справочных таблицах. В принципе этот вопрос может быть решен относительно просто - внесением В справочные таблицы всех хорошо описанных разновидностей с их

оптическими свойствами. Однако последний раз такая исчерпывающая сводка составлялась Ларсеном и Берманом в 1 9 3 4 г . /74/ и в ней, несомненно, отсутствуют очень многие новые данные1 В дальней­ шем полное переиздание всех таблиц вряд ли можно признать целе­ сообразным. Необходима подготовка таблиц, периодически совершен­ ствуемых и обрабатываемых с помощью счетно-решающего устрой­ ства и печатающихся по мере необходимости.

Несмотря на недостатки существующих таблиц, заметим, что в практике микроскопических исследований, а не только в начальный период освоения методики приходится иметь дело преимущественно

с уже известными и ранее изученными веществами. Кроме того, дан­ ные о новых минералах, которые следовало бы внести в таблицы, мож­ но найти в минералогическом реферативном журнале ("Mineralogical Abstracts") и в сводках по новым минералам в журнале" American Mineralogist" 21.

1 Эти таблицы дополнены новыми да иными редактором русского издания В .П . Петровым ("Недра", М , 1 9 6 5 ) . Геологической службой США также готовится новое, расширенное и исправленное издание таблиц под редакцией М . Флейшера и Р . Уилкокса.

жимы к исследованиям прозрачных веществ с помощью петрографи­ ческого микроскопа и к изучению оптических свойств непрозрачных твердых материалов.

Упрощенные объяснения основ оптики даются на примере веществ, в которых свет во всех направлениях распространяется с одинако­ вой скоростью. Кристаллические вещества, для которых свойственно такое поведение света, называются изотропными. Однако в большин­ стве кристаллических материалов, получивших название анизотроп­ ных, скорость распространения света в разных направлениях оказы­ вается различной, при этом свет в них колеблется лишь в определен­ ных плоскостях. В дальнейшем нам придется иметь дело преимущест­ венно со светом, колеблющимся только в некоторых плоскостях и об­ ладающим разной скоростью распространения в зависимости от ори­ ентировки таких плоскостей.

СВЕТ

Светом называется некоторое физическое возмущение, возбуж­ дающее нервы глаза. Он поступает в глаз от объекта, который мы наблюдаем. Оптические свойства света можно объяснить, исходя из волновой природы его распространения. По отношению к направлению

распространения света совершаются поперечные волновые движения, обусловленные быстро чередующимися электрическими и магнитными возмущениями во всех плоскостях, включающих направление их рас­ пространения. Такое возмущение в целом и представляет волну све­ та. Линия от источника света до точки, в которой он воспринимается, называется лучом. На фиг. 1 -1 показана одна из плоскостей, прохо­ дящая через луч света, в которой происходят электрические колеба—

Поскольку мерой расстояния служит длина волны, то можно записать

Количество колебаний в единицу времени называется частотой коле­ баний f

‘ ~ L

Комбинируя уравнения (1 -2 ) и (1 - 3 ) ,получим

Интенсивность света изменяется, прямо пропорционально квадра­ ту амплитуды

ГІЛОСКОПОЛЯризованныЙ св ет . Свет, колеблющийся перпендику­ лярно направлению распространения его волны лишь в одной плос­ кости, называется плоскополяризованным. Бывает также эллиптичес­ кая и круговая поляризация света, которую, однако, проще рассмат­ ривать как обусловленную двумя компонентами плоскополяризоваино­ го света, колеблющимися в двух взаимно перпендикулярных плоскос­ тях. Именно такой прием и применяется в настоящей книге. Таким образом, мы не вносим никакой неопределенности, когда называем плоскополяризованный свет просто поляризованным. 1

Поляризующие устройства (поляризаторы). Из призм или плас­ тинок некоторых анизотропных веществ можно изготовить поляризую­ щие устройства, или поляризаторы, которые пропускают поляризован­ ный свет, колеблющийся преимущественно в одной плоскости, назы­ ваемой направлением колебаний, пропускаемых поляризатором. В ре­ зультате размещения двух поляризаторов в соответствующих местах оптической системы петрографического микроскопа собственно и ста­ новится возможным исследование веществ в поляризованном свете.

1 Амплитуда любой волны плоскополяризованного света при взгля­ де в. направлении ее распространения может рассматриваться как рав­ нодействующая двух взаимно перпендикулярных волн. Это свидетель­ ствует о том, что плоскополяризованная волна не строго, а лишь в основном колеблется в одной плоскости. Мы вернемся к этому воп­

росу после обсуждения векторного характера света в следующих раз­ делах.

Рассмотрим простую оптическую систему с двумя поляризато­ рами, направления колебаний которых параллельны. Световая волна, колеблющаяся параллельно этим направлениям колебаний поляризато­ ров, будет проходить сквозь систему без изменения амплитуды. (Строго говоря, амплитуда волны за счет абсорбции света поляри­ зующим веществом несколько уменьшится, но мы в дальнейшем бу­ дем пренебрегать этим незначительным изменением, допуская, что свет полностью проходит сквозь поляризующие устройства.) Однако если один из поляризаторов повернуть вокруг оси системы таким образом, что направления их колебаний образуют некоторый угол друг с другом, то выходящая из второго поляризатора световая вол­ на будет колебаться в плоскости его колебаний, а амплитуда коле­ баний уменьшится, как это показано на фиг. 1 -3 . На этой схеме пунктирными линиями ѴѴ' и WW' показаны плоскости колебания

Ф и г . 1-3. Амплитуда поляризованного, света, проходящего через два по­ ляризатора Р' и Р " .

света, выходящего соответственно из первого ( Р' ) и второго ( Р " ) поляризаторов. Свет распространяется из точки О к О '. Из Р' вол­ на выходит с амплитудой М, а из Р"—с амплитудой N. Амплитуда колебания проходящего света может быть определена с использовани­ ем простого векторного принципа, подобного используемому в опера­ циях разложения сил на составные части. Этот анализ графически изображен на фиг. 1 -4 , где MN , нормаль к WW,' определяет вели­ чину вектора ON, характеризующего искомые направления колебания

и амплитуду.

Только что рассмотренный эффект хорошо знаком владельцам поляроидных солнечных очков. Разглядывая источник света через две наложенные линзы таких очков и поворачивая их друг относительно друга, можно заметить уменьшение интенсивности света. Направления колебаний, пропускаемых солнечными очками, ориентированы верти­ кально с тем, чтобы гасить горизонтальный компонент света, грубо поляризующегося в момент отражения от таких поверхностей, как по­

крытие шоссе. Направление пропускаемых колебании можно усханоГое. пуогичная

научи

вить простым наблюдением, рассматривая сквозь солнечные очки или любую поляроидную пластинку, отражающую свет, поверхность неметаллического предмета (например, крышку стола). Такой свет частично поляризуется в плоскости отражающей его поверхности, и,

Ф и г. 1-4. Графическое определение амплитуды света, выходящего из поля­ ризатора Р" (см. фиг. 1-3),

У у

W

поворачивая поляроид или линзу очков до момента, когда интенсив­ ность света сильнее всего уменьшится, мы тем самым выявим на­ правление колебаний пропускаемых линзой очков, которое в данном

случае расположится перпендикулярно плоскости отражающей повер­ хности.

При скрещенном положении поляризаторов (Р и Р ) направления WW и ѴѴ расположены перпендикулярно друг к другу.

При помощи построения, аналогичного схеме фиг. 1 -4 , можно по-*- казать, что сквозь систему двух поляризаторов с взаимно перпенди­ кулярными направлениями пропускаемых колебаний свет совершенно не будет проходить. Это положение иллюстрирует фиг. 1 - 5 . Волна,