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

Дисперсия показателей преломления. Различия показателей пре­ ломления для света с разными длинами волн характеризуют их раз­ ностью для определенного интервала спектра. Обычно для этого ис­ пользуют интервал от F до С (Np - N q ) ^ b иногда область от зе­ леной линии таллия до красной линии литий (N^ —NLi ) , Дисперсию определяют как сильную или слабую в зависимости от ее численной величины.

F D C

нафгалина, кривые дисперсии показателей преломления других жидкос­ тей не прямолинейны, а вогнуты вверх. Приведенные на фиг. 1 -1 6 примеры иллюстрируют общее положение: в жидкостях дисперсия по­ казателей преломления сильнее, чем в твердых веществах при при­ мерно равных показателях; кривые дисперсии жидкостей обычно кру­ че. По мере увеличения показателей преломления их дисперсия воз­

зания, для какой длины волны они определены, а поскольку свето­ преломление зависит от температуры, то и температуру, при кото­ рой они замерялись. Эти сведения указываются индексами при сим­

что его величина определена при комнатной температуре и в качест~ ве стандартной принята длина волны линии натрия D . Температура имеет важное значение для иммерсионных жидкостей. В стандартных

Дисперсия других оптических СВОЙСТВ, в анизотропных вещест­ вах может проявляться дисперсия ряда оптических констант. Помимо дисперсии показателей преломления и двупреломления, с изменением длины волны света могут варьировать направления колебания поляри­ зованных лучей и положение оптических осей. Ни один из типов ди­ сперсии не имеет серьезного значения для диагностики минералов обычными методами. Таким образом, так же как и в отношении дру­ гих второстепенных свойств, точная оценка дисперсии может приоб­ рести при диагностике минералов решающее значение лишь в специ­ фических случаях. Некоторые способы определения показателей пре­ ломления, правда, основаны на точном знании соотношений дисперсии светопреломления иммерсионных жидкостей и твердого вещества. В связи с этим выше и были сделаны по этому поводу краткие заме­ чания.

Окраска кристаллов. Цвет кристалла в проходящем свете опреде­ ляется, с одной стороны, длиной волны света, поступающего из осве­ тителя, а с другой,- свойствами самого кристалла. В глаз поступает свет лишь тех длин волн, которые могут пройти сквозь кристалл. О волнах тех длин, которые не проходят через кристалл, говорят, что они абсорбировались. Явление это называется абсорбцией света. Ин­ тенсивность абсорбции зависит от толшины зерен, так что ярче окра­ шенными при микроскопических наблюдениях оказываются более тол­ стые препараты. Многие минералы, например флюорит, окрашенные в штуфах при микроскопических наблюдениях, выглядят совершенно или почти бесцветными.

В разных направлениях колебания света в кристаллах абсорбиру­ ется свет разных длин волн. В связи с этим и цвет кристалла в раз­ личных направлениях оказывается разным. Это свойство - изменять окраску в зависимости от направления колебания, называется плеох­ роизмом.

Глава 2

ОБОРУДОВАНИЕ И ПОДГОТОВКА МАТЕРИАЛА

Для диагностики прозрачных минералов обычно используется петрографический, или поляризационный, микроскоп. От других микро­ скопов он отличается наличием оптического устройства, поляризую­ щего свет. Простейшую разновидность петрографического микроскопа, позволяющую производить качественные наблюдения, можно получить, приспособив две пластинки поляроида к обычному биологическому ми­ кроскопу или бинокуляру. Однако для большинства количественных определений необходимы другие дополнительные приспособления (вра­ щающийся столик, пазы для введения вспомогательных пластинок, диафрагмы и т .п .), которые монтируются в выпускаемых промышлен­ ностью поляризационных микроскопах.

Главное назначение петрографического микроскопа - увеличивать! изучаемый объект и способствовать исследованию его оптических

ет увеличенное изображение исследуемого объекта. Более детальное рассмотрение теории микроскопа читатель может найти в работе Мар­ тина /7 9/.

Наблюдаемый объект освещается дневным светом или от какоголибо искусственного источника, расположенного вне микроскопа или смонтированного внутри него. Свет поступает на зеркальце, направ­ ляющее его в конденсор, из которого он поступает к наблюдаемому объекту, располагающемуся на предметном столике микроскопа. В ниж­ нем конце тубуса, выше столика, монтируется линза объектива, по­ мещаемая таким образом, чтобы в верхнем конце тубуса возникало истинное изображение объекта в тех случаях, когда объект распола­ гается непосредственно ниже главного фокуса объектива. Это истин-1

1Это несколько не так; главная задача поляризационного микро­ скопа служить измерительным прибором для определения оптических констант минералов, по которым определяется минерал. - Прим, ред.

ное изображение увеличивается окуляром, расположе ным в верхнем конце тубуса. Глаз видит некоторое увеличенное истинное изображе­ ние. Когда тубус, а следовательно, объектив и окуляр находятся в положении, при котором наблюдаемый объект располагается непос­ редственно ниже главного фокуса объектива, изображение получает­ ся ясным и, как говорят, микроскоп находится "в фокусе".

ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

В петрографическом микроскопе конденсор, объектив и окуляр обычно состоят из нескутльких линз и вся система имеет более слож­ ный характер, чем в охарактеризованном выше простейшем приборе. Ниже приводятся краткие описания специфических особенностей пет­ рографического микроскопа.

Окуляр. Окуляры в петрографическом микроскопе обычно отно­ сятся к типу гюйгенсовских. Окуляр снабжен крестом нитей, совме­

любые направления в поле зрения принято обозначать по аналогии с лимбом компаса, при этом в качестве севера принимается направ­ ление прямо от наблюдателя.

Обычно используются окуляры с увеличением от 5 - до 1 0 -крат- ного. Наиболее употребительны средние увеличения. Крест нитей мож­ но сфокусировать по глазу каждого наблюдателя посредством пово­ рота накатанного по нарезке кольца.

В плоскости креста нитей могут помешаться (как правило, это делается фабричным способом) специальные микрометренные линейки. Наиболее распространен обычный окулярный микрометр длиной 1 мм с двадцатью делениями. Эти деления гравируются на стекле непосред­ ственно на линиях креста нитей. Цену деления калибруют для каждой системы линз по объектам известного размера. Другими специальны­ ми микрометрами являются сетки с квадратными ячейками точного размера.

Увеличение. Увеличение оптической системы приблизительно рав­ но произведению номинальных увеличений окуляра и объектива. Одна­ ко общее увеличение системы можно установить, наблюдая объект из­ вестных размеров с микрометренным окуляром . Таким объектом

’ Увеличение микроскопа дается обычно в угловых величинах. Они по­ казывают, во сколько раз угол, под которым препарат виден простым гла­ зом, меньше того угла, под которым этот же препарат виден под микро­ скопом. Линейное увеличение показывает, во сколько раз изображение больше оригинала. Для определения линейного увеличения необходимо из­ мерить величину на микрообъекте в препарате и на изображении; разде­ лив вторую величину на первую, получаем линейное увеличение. - Прим. ред.

может служить оЬъект-микрометр, который прилагается к микроско­ пу большинством фирм. Шкала этого микрометра обычно снабжена делениями в десятые и сотые доли миллиметра.

Объективы. В практике петрографических исследований обычно используются три или четыре объектива.' Наиболее часто применя­ ются объективы, на которых обозначены увеличения 3 , 10 и 5 0 . Т а­ кие увеличения объективов соответственно называют малым, средним и большим.

Объективы можно центрировать по оптической оси микроскопа специальными вмонтированными в них винтами. Особенно необходима точная центрировка объективов с большими увеличениями, в против­ ном случае наблюдаемый объект может при вращении столика микро­ скопа быстро уходить из центра или из поля зрения вообще. Нужно знать несколько различающихся особенностей центрировки объективов различных моделей микроскопов. Обычно при центрировке находят в поле зрения какое-либо пятнышко или мелкий кристалл, фокусиру­ ют на него систему микроскопа и передвигают его в центр креста

нитей. Затем поворачивают столик микроскопа до тех пор, пока вы­ бранная точка не сместится максимально от креста нитей. После это­ го винтами объектива смещают центр креста нитей на половину рас­ стояния до наблюдаемой точки. Повторяя эту простую процедуру не­ сколько раз, можно добиться достаточно точной центрировки объектива.

При исследовании очень мелких частиц иногда возникает необхо­ димость прибегнуть к очень большим увеличениям. Наибольшие уве­ личения (до X 1 00 ) лучше всего получать с иммерсионными объек­ тивами, имеющими короткие фокусные расстояния, в связи с чем для уменьшения нежелательных эффектов отражения и преломления меж­ ду изучаемым препаратом и объективом необходимо помещать каплю масла. .

Вообще, как правило, рабочее расстояние объектива уменьшается с ростом увеличения объектива. Для работы с универсальным столи­ ком имеются специальные объективы, в которых большие увеличения сочетаются с длинными фокусными расстояниями.

Численная апертура. Рабочее расстояние объектива связано с уг­ лом конуса света, поступающего от объекта, находящегося в главном фокусе, в зрачок объектива. Величина этого угла в свою очередь за­ висит от показателя преломления среды (например, масла или возду­ ха) и конструкции линзы объектива. В большинстве случаев на объек­ тивах указывается так называемая численная апертура (N. А .),п о ко­

хроматический свет необходим для определений показателей прелом­ ления с большой точностью. В зависимости от степени сложности конструкции микроскопа осветительная система регулируется тем или иным способом. Относительно удобны способы центрировки источни­ ка света и яркости освещения посредством диафрагмы и реостата. Часто в осветительной системе имеются прорези для дополнительных фильтров.

Поляризующие устройства. Поляризующее устройство - наиболее важная часть петрографического микроскопа. Поляризаторы пропус­ кают свет, колеблющийся лишь в одной плоскости. В большинстве современных моделей в качестве поляризаторов используются так называемые поляроиды, но в относительно старых микроскопах поля­ ризаторы изготовлены из оптического кальцита. Применялось несколь­ ко типов таких линз. Впервые поляризующая призма из кальцита бы­ ла введена в практику в 1 8 2 8 г . шотландским естествоиспытателем Уильямом Николем (17 6 8 - 1 8 5 1 ) . Поскольку именно открытие это­ го исследователя положило начало развитию кристаллооптики и микро­ скопической петрографии, поляризующие призмы любого типа получи­

ли общее наименование "николь", отсюда термин " скрещенные николи". Поляроид, изобретенный современным американским исследова­

телем 3 . Лендом, в простейшей форме представляет собой пластинку, пропускающую поляризованный свет. Поляроиды - это по существу напряженные пленки взаимно ориентированных плеохроичных длинно­ цепочных полимеров, обладающих способностью к сильной абсорбции света в одном направлении. Строго говоря, это свойство следует на­ зывать дихроизмом (разновидность плеохроизма). Поляроиды деталь­ но описаны Шёрклиффом /105/.

В оптической системе микроскопа имеются два поляризатора. Ч е­ рез один из них свет проходит перед поступлением в конденсор, а через другое выдвижное поляризующее устройство свет проходит уже выше объекта. Нижнее устройство часто называют поляризатором, а верхнее - анализатором. Направления колебаний, пропускаемых поля­ ризатором и анализатором, располагаются взаимно перпендикулярно. При включенном анализаторе говорят о том, что объект виден в скре­ щенных николях. Плоскость колебаний, пропускаемых поляризатором,

колях, скрещенных точно под углом 9 0 °, и при отсутствии препа­ рата на столике микроскопа поле зрения должно быть совершенно темным. Если это не так, то один из николей следует повернуть до получения полной темноты. В большинстве микроскопов повора­

46 Глава 2

чивать приходится поляризатор, так как направление колебания анализатора обычно строго фиксировано. При полной темноте в по­ ле зрения угол поворота поляризатора должен быть равным нулю, а плоскость его колебаний должна совпадать с линией креста ни­ тей. Если эти условия не выдерживаются, то может возникнуть необходимость в заводской регулировке анализатора.

Направление колебаний поляризатора можно установить, вы­ нув его из микроскопа и рассматривая сквозь него какую-либо неметаллическую горизонтальную поверхность, например крышку стола. Отраженный от такой поверхности свет частично поляризу­ ется, причем направление его колебаний оказывается параллель­ ным отражающей поверхности. Такой частично поляризованный от­ раженный свет заметно ослабевает в тот момент, когда направ­ ление колебаний, пропускаемых поляризатором, располагается пер­ пендикулярно к наблюдаемой поверхности.

Нижний конденсор. Под предметным столиком микроскопа выше поляризатора расположен нижний конденсор. Линзы в конденсоре име­ ют большие фокусные расстояния, так что объект на предметном сто-’ лике освещается узким конусом почти параллельных лучей. Наиболее косо направленные внешние лучи света в конусе можно ликвидиро­ вать, так что пучок будет состоять почти из одних параллельных лу­ чей. Это достигается регулировкой диафрагмы, расположенной в ниж­ ней фокальной плоскости конденсора под поляризатором. Непосред­ ственно ниже предметного столика располагается собирающая линза, включаемая по мере необходимости и дающая сходящийся пучок лучей.

Линза Бертрана. Линза Бертрана помещается ниже окуляра и при необходимости может быть введена в пучок проходящего света. В некоторых микроскопах эта линза снабжена ирисовой диафрагмой, иногда также она может перемещаться в тубусе вертикально посред­ ством подвижной муфты или по зубчатой рейке и в боковом направ­ лении при помощи тангенциальных винтов. Движение в этих двух на­ правлениях позволяет фокусировать и центрировать линзу.

Линза Бертрана собирательная, она позволяет наблюдать изобра­ жение, возникающее на задней фокальной плоскости объектива. Это изображение источника света в неувеличеином виде можно видеть,

•взглянув в тубус со снятым окуляром.

После введения линзы Бертрана и включения нижней собиратель­ ной линзы микроскоп превращается в коноскоп, в котором можно на­ блюдать фигуры интерференции. Таким образом, в микроскопических исследованиях можно различать ортоскопические наблюдения самого объекта и коноскопические наблюдения изображения источника света.

Компенсационные пластинки. Для того чтобы увеличить разность хода лучей, выходящих из объектива, в специальные прорези в тубу­ се вводятся вспомогательные пластинки. Эти пластинки сделаны из

анизотропного материала и имеют такую толшину и ориентировку, что обусловливают возникновение строго определенной разности хода.

В другом случае пластины имеют клиновидную форму, обусловливаю­ щую последовательное увеличение разности хода лучей от тонкого конца к толстому. На пластинках указываются направления колебаний в них лучей с большим и меньшим показателями преломления. При введении пластинок в тубус эти направления соответственно совпада­ ют с северо-восточным и северо-западным.

Наиболее употребительны три вида вспомогательных пластинок, обусловливающих увеличение разности хода лучей, соответствующее интерференционным окраскам в один порядок, доли порядка и во мно­ го порядков. Однопорядковые пластинки раньше обычно изготовлялись из гипса. Они вырезаются таким образом, что разность хода двух

время однопорядковые пластинки изготовляются, как правило, из квар­ ца, тем не менее мы сохраним за ними общепринятое название "гип­ совая пластина". На этих пластинках обычно ставится индекс Л , или "Rot I ",или "gip s". Слюдяная пластинка, называемая также "пластин­ кой на четверть "волны"и снабжаемая индексами" А/ 4 " или "glimmer ѵ (слюда - немец. ), обусловливает разность хода около 145 нм, что соответствует одной четверти волны желтого света. Интерференцион­ ная окраска у слюдяных пластинок белая первого порядка. Вспомога­ тельная пластинка, при помощи которой можно получить различную желательную разность хода, представляет собой кварцевый клин. Наи­ более толстая его часть обычно дает окраски третьего или четверто­ го порядка. Для специальных целей изготовлялись также компенсаци­ онные пластинки многих иных типов. Описания их можно найти в ра­ боте Джохенсена /63/. Однако ни одна из этих пластинок не нашла применения в практике обычных петрографических наследований.

ИММЕРСИОННЫЕ ЖИДКОСТИ (СТАНДАРТНЫЕ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ)

Стандартный набор жидкостей с различными показателями прелом­ ления, используемых в качестве иммерсионной среды, широко приме­ няется в рядовой петрографической работе. Этот набор должен состо­ ять из жидкостей, показатели преломления которых колеблются от 1 ,4 5 до 1 ,7 8 . Полезны также жидкости или сплавы с более высоким светопреломлением, реже возникает необходимость в иммерсионных средах с меньшим показателем преломления. Иммерсионные наборы

обычно приобретаются готовыми, но их довольно просто можно изго­ товить и в лаборатории.

которые сведения о природе и оптических характеристиках иммерси­ онных жидкостей.

К стандартному иммерсионному набору для рядовой работы с бе­ лым светом, при которой не может быть особенно высокой точнос­ ти в определениях светопреломления /9/, предъявляется несколько требований. Эти жидкости не должны иметь интенсивной окраски и быть ядовитыми или вредными для кожи, не должны растворять ис­ следуемые препараты. Термические их коэффициенты должны быть по возможности небольшими. Показатели преломления жидкостей долж­ ны устойчиво сохраняться в процессе использования и при хранении набора. Это требование означает, что жидкости могут быть или хи­ мически устойчивыми соединениями, или представлять собой смеси веществ с аналогичным давлением пара. Для определения умеренных показателей преломления удобнее всего иметь набор с равными ин­ тервалами величин светопреломления между соседними жидкостями. Требование выполнимо лишь при использовании смесей. Иммерсион ­ ные жидкости должны обладать слабой, в крайнем случае умеренной,

дисперсией, однородной для всей их серии. Это требование, сущность которого станет ясной лишь после более полного рассмотрения ме­ тода сравнительной оценки светопреломления, также выполнимо лишь при использовании смесей жидкостей в разных пропорциях. Серии чистых жидкостей с последовательно и прогрессивно изменяющейся в их ряду дисперсией неизвестны. В большинстве случаев стандарт­ ные иммерсионные наборы изготовляются на основе нескольких се­ рий жидкостей. Каждая из этих серий состоит в свою очередь из двух конечных членов, между которыми располагаются их смеси в разных количественных соотношениях. В таких сериях без ущерба для устойчивости жидкостей удается добиться правильных изменений дисперсии и удобных стандартных интервалов величины светопрелом -

пения между смежными жидкостями. Жидкости особенно часто исполь­ зуемых интервалов показателей преломления в наборах должны быть изготовлены с минимальным количеством серий с тем, чтобы воз­ можно большее число жидкостей входило в их серию с одинаковым прогрессивным изменением свойств. Для определения показателей преломления больше 1 ,9 1 можно использовать сплавы. Однако такие

с относительно высокой оптической дисперсией (например, для дис­ персионной методики). В выпускаемых промышленностью стандарт­ ных наборах иммерсионных жидкостей обычно дается характеристика их дисперсии, как правило, в виде функции Ѵ=(Л'0-Г) /С/ѴF —Nc ). Приво­ дятся также и данные о зависимости показателей преломления от температуры (—d N / d T ) .