Установка микроскопа

Для освещения исследуемого объекта в большинстве случаев при­меняется специальный осветитель или сильная электрическая лампа с матовым стеклом для получения рассеянного света. Объектив с увеличение 8,8^х помещается в щипцы тубуса. Анализатор и линза выдвигаются из тубуса. Не вставляя окуляр, смотрят в тубус микроскопа, и, перемещая зеркальце, добиваются наилучшего освещения поля зрения. Затем в тубус вставляют окуляр, снабженный крестом, вводят анализатор отпускают винт и вращают поляризатор до тех пор, пока поле зрения не будет максимально затемнено. Максимальное затемнение поля зрения указывает на скрещенное положение николей.

Затем следует определить направление колебаний, пропускаемых поляризатором. Для этого вынимают анализатор, отвинтив винт, закрепляющий его в тубусе микроскопа. Приложив анализатор к глазу, наблюдают, отражение свела от какой-либо блестящей поверхности, по­ворачивая николь, отмечают разницу в интенсивности проходящего све­та. Иная направление колебаний отраженного света, определяют, таким образом, направления колебаний, пропускаемых анализатором, так как положение скрещенности николей уже проверено.

Для того, чтобы во время работы всегда знать направление свето­вых колебаний, пропускаемых поляризатором и анализатором, проверяют совпадение креста окуляра с направлением световых колебаний, пропус­каемых поляризатором и анализатором. Расположение креста проверяет­ся по кристаллу черной слюды (биотита) в шлифе. В следе хорошо вид­ны трещины спайности - направления, по которым кристалл слюды легко раскалывается на тончайшие листочки. Выдвинув анализатор, поворачи­вают предметный столик так, чтобы трещины спайности были параллель­ны одной из ветвей креста окуляра. Затем вдвигают анализатор. При этом должно наступать полное затмение кристалла, т.к. плоскость спайности биотита совпадает с одним из главный сечений эллипсоида показателей преломления. Если полное затмение не достигается, это означает, что крест нитей окуляра не совпадает с направлением све­товых колебаний, пропускаемых николями. Подобный эффект в микро­скопе является весьма существенным, и его исправление следует пору­чить специалисту-оптику.

Центрировка объектива.

Если объектив не центрирован, то все точки объекта при вращении предметного столика описывают окружности, центр которых не совпадает с крестом в поле зрения окуляра. Задачей цент­рировки является совмещение центра вращения поля зрения с центром креста окуляра. Быстро вращая столик в обе стороны, отмечают на глаз его центр вращения затем, действуя перпендикулярными друг другу центрировочными винтами, находящимися в оправе объектива, стараются совместить центр вращения поля зрения с центром креста окуляра. Повто­ряя последовательно эти действия несколько раз, уточняют центрировку и таким образом совмещают ось объектива с осью вращения столика.

Исследование оптических свойств кристаллов в поляризованном свете

Луч света, проходящий через крис­таллическую пластинку, испытывает двойное лучепреломление, т. е. разде­ляется на два луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и распространяющихся в кристалле с разными скоростями. Поэтому между лучами возникает оптическая разность хода

и разность фаз

где d — толщина кристаллической плас­тинки, n' и n" — показатели преломления каждого из лучей, λ — длина падающей световой волны.

Для оптически одноосного кристалла n' = n₀, n" = n_е и

Если d мало, то по выходе из кристал­ла лучи идут параллельно и могут интерферировать, если выполняются ус­ловия интерференции, т. е. лучи когерентны, параллельны, поляризованы в одной плоскости и имеют разность хода.

Оптические явления в кристаллах, наблюдаемые в параллельном поляри­зованном свете.

Для наблюдения интерференции поля­ризованного света в кристаллах пользуются поляризационным микроскопом или любой поляризационной установкой, в которую входят поляризатор П и анализатор А (рис. 1,а). В качестве поляризаторов и анализаторов упот­ребляют николи и другие призмы, сде­ланные из прозрачных двупреломляющих кристаллов, или же поляроиды

Условие когерентности создается тем, что лучи, прежде чем испытать двупреломление в кристалле, проходят через поляризатор: следовательно, раздваи­вается плоскополяризованный луч, в котором когерентные световые коле­бания лежали в одной плоскос­ти.

Рисунок 1. Схема наблюдения кристалла в параллельном поляризованном:

А- анализатор; П-поляризатор; К_р – кристаллическая пластинка. Плоскости колебаний показаны штриховкой.

Войдя в кристалл Кр, этот поляризо­ванный луч света, преломляясь, разде­ляется па два луча с взаимно перпенди­кулярными плоскостями колебаний. Плоскости поляризации и абсолютные величины показателей преломления этих лучей зависят от ориентировки па­дающего луча по отношению к оптичес­кой индикатрисе кристалла, сечение которой показано на рис. 1,6. Из кристаллической пластинки выходят два плоскополяризованных луча, коге­рентных и обладающих разностью фаз 6 (4.53); если пластинка тонкая, то эти лучи параллельны; но интерферировать они не могут, потому что у них разные плоскости колебаний.

Анализатор, поставленный за крис­таллом, служит для того, чтобы свести в одну плоскость колебания двух лучей, поляризованных во взаимно перпенди­кулярных плоскостях. Он пропускает лишь те компоненты колебаний, кото­рые совпадают с его плоскостью поля­ризации (схема на рис. 1,в).

Таким образом, анализатор пропуска­ет два когерентных луча, плоскополя­ризованных в одной плоскости и имею­щих разность фаз б (рис. 1,г). Между этими лучами возникает интерферен­ция. Поэтому кристаллическая пластин­ка, находящаяся между поляризато­ром и анализатором, кажется окрашен­ной в интерференционные цвета.

Наблюдение в поляризованном свете производится обычно при скрещенных николях, т. е. когда угол между плос­костями поляризации поляризатора и анализатора равен 90°, Термин «скре­щенные николи» употребляется и в тех случаях, когда поляризационными при­способлениями служат не николи, а по­ляроиды или какие-либо призмы. Скре­щенные николи не пропускают света. Оптически изотропная, не двупреломляющая пластинка, помещенная между скрещенными николями, также не про­пустит света: поле зрения останется темным.

Поместим между скрещенными николями пластинку оптически одноосного кристалла, вырезанную перпендикуляр­но его оптической оси. Луч света тогда идет вдоль оптической оси, а значит, двойного лучепреломления нет. В скрещенных николях пластинка тоже не пропустит света.

Если же луч света в пластинке не параллелен оптической оси кристалла, то в скрещенных николях при наблюде­нии в белом свете на пластинке появится интерференционная окраска.

Чтобы объяснить и рассчитать наб­людаемые явления, воспользуемся схе­мой на рис. 2. Здесь ПП — плоскость колебаний луча света, прошедшего через поляризатор, АА — плоскость колеба­ний луча, прошедшего через анализа­тор, S₁ и S₂ — плоскости колебаний двух лучей, распространяющихся в исследуемой кристаллической пластин­ке (главные плоскости ее оптической индикатрисы). Углы, составляемые плоскостью S₁ с плоскостями ПП и АА, обозначим соответственно как аир. Если Е_о — амплитуда колебаний лу­ча, вышедшего из поляризатора, то из схемы рис. 2 видно, что амплитуды колебаний двух лучей, распространяю­щихся в кристалле, будут равны

и

Пройдя через кристаллическую пластинку, эти два луча приобретают раз­ность фаз, определяемую формулой (поглощение и рассеяние света не учитываем). Анализатор пропускает эти колебания не полностью, поэтому амплитуды колебаний двух лучей, вышедших из анализатора, будут равны

,

(*)

Из оптики известно, что при сложе­нии двух колебаний с амплитудами Е₁ и Е₂ и разностью фаз δ интенсивность результирующего колебания равна

(**)

Подставляя в формулу (**) значения Е₁ и Е₂ из равенств (*) и; δ из формулы и вводя обозначение у = β+α (угол между плоскостями колеба­ний анализатора и поляризатора), по­лучаем окончательную формулу для интенсивности монохроматического све­та с длиной волны λ, прошедшего через кристаллическую пластинку толщиной и, расположенную, как показано на рис. 1, т. е. в пучке параллельного поляризованного света:

Для случая скрещенных николей γ = = 90° и β = 90° — α, поэтому эта формула упрощается и принимает вид

Если при скрещенных николях исследуемая кристаллическая пластинка расположена так, что S₁׀׀ПП или АА, то sin2а=0 и результирующая интенсивность света J=0, т. е. пластинка не про­пускает света: это соответствует полному погасанию. Наоборот, максимальная интенсивность прохо­дящего света будет наблюдаться, когда пластинка установлена в диагональном положении, т. е. α=45°. Тогда sin2а=1 и:

Очевидно, если при скрещенных николях вращать пластинку на полный оборот вокруг оси, соот­ветствующей направлению падающего на нее луча света, то полные погасания будут наблюдаться четыре раза, а между ними интенсивность проходящего света будет четыре раза постепенно усили­ваться и ослабевать, проходя через четыре максимума (рис. з).

Если плоскости поляризации поляризатора и анализатора не скрещены, а параллельны, то наблю­дается интерференционная окраска кристалла, дополнительная к той, которая наблюдается в скре­щенных николях. При полном обороте пластинки видны четыре положения полного просветления.

Пластинка, вырезанная на параллельно оптической оси одноосного кристалла (или плоскости оптических осей двуосного кристалла), в скрещенных николях будет казаться окрашенной однородно если ее толщина равномерна; если же ее толщина неравномерна, то окраска пластинки будет неоднородной.

Рисунок 2. К выводу разности фаз лучей, прошедших через поляризатор, загори кристалл

Рисунок 3 Схема явления погасания света при вращении кристаллической пластинки между скрещенными николями.

Таким образом, интерференционная окраска кристаллической пластинки в параллельном поляризованном свете зависит от кристаллографической ориентировки пластинки, показателя преломления вещества и его двупреломления, а также от углов между плоскостями колебаний поляризатора, ана­лизатора и пластинки и от длины волны падающего света.

Зависимость интерференционной окраски от толщины кристаллической пластинки лучше всего видна на кварцевом клине, которым пользуются для измерения величины двойного лучепреломления кристаллов и определения их ориентировки. Кварц-кристалл тригональный, оптически одноосный, положительный. Клин вырезается параллельно его оптической оси. Угол клина составляет около 0,5°, длина его 4-5см, толщина на толстом конце не превышает 0,2—0,3мм и плавно уменьшается к тонкому концу. В естественном свете клин выглядит как прозрачная бесцветная пластинка. В монохроматическом поляризованном свете при скрещенных николях на клине вследствие интерфе­ренции виден ряд параллельных темных и светлых полос. Темные полосы соответствуют разности хода, равной целому числу длин волн. В белом свете на клине видно чередование различно окрашен­ных ярких интерференционных полос, которые условно разделяют на несколько порядков (см. табл. 1).

Полоса фиолетового цвета между I и II порядками называется «чувствительным фиолетовым оттенком», а плоскопараллельная кристаллическая пластинка, вырезанная так, что в скрещенных нико­лях она кажется окрашена в этот цвет, называется «чувствительной» пластинкой. Название объясняется тем, что незначительное изменение разности хода, соответствующей этому цвету, резко меняет окраску пластинки.

Таблица 1.

Основные интерференционные цвета кварцевого клина

	1							2					3				4
λ, нм	0	100	260	300	450	500	550	575	700	800	910	1100	1130	1330	1430	1530	1710	2000	2050
	Черный	Серый	Белый	Желтый	Бурый	Оранжевый	Красный	Фиолетовый	Голубой	Зеленый	Желтый	Красный	Фиолетовый		Желто-зеленый	Красный	Светло-	Светло-	розовый

Так, для желтого натриевого света (λ =589, 3 нм) в скрещенных николях чувствительный фиоле­товый оттенок отвечает развести хода в 575 нм. Изменение разности хода в сторону увеличения всего лишь на 14 нм, т. е. до ∆ =589 нм, дает индигово-синюю окраску, а уменьшение на 10 нм, т. е. до ∆ =565 нм, - пурпурно-красный цвет. Чувствительные пластинки изготовляют из гипса, кварца, слю­ды или целлофана. Ими можно пользоваться для обнаружения и измерения очень слабого двойного лучепреломления. Для этого накладывают чувствительную пластинку на исследуемую пластинку, самое ничтожное двойное лучепреломление которой очень заметно меняет окраску чувствительной пластинки: по изменению цвета можно определить величину двупреломления.

Пластинки «четверть волны - это плоскопараллельные пластинки, обычно слюдяные или гипсо­вые, толщина которых подобрана так, что они дают для определенного монохроматического света с длиной волны λ, разность хода ∆=λ/4, точнее, πλ + λ/4, где n - целое число. Также изготовля­ются пластинки «в полволны». Эти пластинки часто используются в различных оптических схемах.

Рисунок 4. Схема компенсации двупреломления света в кристалле:

а)-сложение; б)-вычитание оптической

разности хода.

Рисунок 5. Схема наблюдения кристалла в сходящемся поляризованном свете:

И-протяжонный источник света, П-поляризатор, А-анализатор, К_р-кристалическая пластина, Э-плоскость изображения.

Для измерения величины двойного лучепреломления (или измерения толщины образца при из­вестном двупреломлении) применяют метод компенсации, сущность которого заключается в том, что в параллельном поляризованном свете наблюдают сложение оптической разности хода [формула (4.52)] в исследуемое пластинке ∆₁, и в компенсаторе, т. е. пластинке или устройстве с известной разностью хода Дд. Исследуемая пластинка устанавливается в диагональном положении - между скрещенными николями, а над ней располагают компенсатор. Если пластинка и компенсатор ориен­тированы так, что наибольшие оси их эллипсоидов показателей преломлений совпадают (рис. 4, а), то общая разность хода ∆₂, возникшая в результате прохождения света через кристалл и компенсатор, равняется:

Если же компенсатор и кристалл скрещены, как на рис. 4, б, то результирующая разность хода:

При ∆₁=∆₂ ∆=0 и исследуемая пластинка с наложенным на нее компенсатором не пропустит света. В этом случае говорят, что достигнута полная компенсация разности хода. Зная ∆₂, можно определить ∆₁, и по формуле (1) - толщину или двупреломления пластинки.

Наблюдение цветной (хроматической) поляризации кристаллов в параллельном поляризованном свете используют для измерения толщины кристаллов и величин их двупреломления, а в минерало­гии, петрографии и металлографии - для идентификации отдельных минералов в горных породах.