Редактор доцент А.А. ПОДНОГИЙ

КРИСТАЛЛООПТИКА

Методическое пособие к лабораторным занятиям

ИЗДАНИЕ ИНСТИТУТА

ОТ АВТОРОВ

При изучении курса петрографии особенно трудно усваивается первая часть курса — кристаллооптика и методика исследования кристаллического вещества с помощью поляризационного микроскопа.

Предлагаемое руководство не рассчитано на изложение теоретических основ методики, оно ставит задачу помочь начинающему в изучении курса.

В руководстве дается систематизированный ход определения оптических свойств кристаллов в такой последовательности, которую авторы, на основе многолетней практики, считают наиболее целесообразной.

При определении каждой из оптических констант дается порядок работы и ряд практических приемов, без которых в отдельных случаях невозможно добиться должного результата.

Руководство предназначено, для студентов-геологов очного и заочного факультетов. Оно составлено в соответствии с программой, рассчитанной на 28 часов практических занятий. Руководство может быть использовано также студентами геофизического факультета.

SS3133

Редактор доцент А.А. ПОДНОГИЙ

Ответственный за выпуск О. Ф. Павленко, корректор Л. Ильинская

НС 26204. Подписано к печати 20/VII 1966 г. Бумага 60X92/₁₆ Печ. л. 3,5
Заказ № 346. Тираж 1000 экз. Бесплатно

Типография изд-ва «Уральский рабочий»

Свердловск, проспект Ленина, № 49.

ВВЕДЕНИЕ

При проработке теоретических основ кристаллооптики главное внимание необходимо обратить на изучение оптической индикатрисы как вспомогательной поверхности, дающей возможность наглядно представить изменение оптических свойств в кристаллах в зависимости от направления.

Индикатриса является пространственным изображением оптических свойств кристалла, в котором указаны два основных оптических свойства — показатель преломления и направление светового колебания для одной и той же волны. Каждый радиус-вектор оптической индикатрисы выражает коэффициент преломления той волны, которая совершает свои колебания в направлении этого радиуса-вектора (сама же волна распространяется в направлении, перпендикулярном к радиусу-вектору).

Все природные вещества по оптическим свойствам делятся на две группы: изотропные и анизотропные. В изотропных веществах оптические свойства во всех направлениях одинаковы: они не обнаруживают двупреломления, и оптическая индикатриса их имеет форму шара. Изотропными являются минералы кубической сингонии и аморфные вещества.

Анизотропные вещества обладают двупреломлением, т.е. луч света, входящий в такие вещества, раздваивается, и вновь образовавшиеся лучи колеблются в двух взаимно перпендикулярных направлениях, распространяясь с различными скоростями. В параллельных направлениях, т. е. разрезах, одинаково ориентированных относительно кристаллографических элементов, оптические свойства анизотропных веществ будут одинаковыми; в непараллельных сечениях — различными. Изменение оптических свойств в различных сечениях происходит непрерывно, обнаруживая симметричность по отношению к осям оптической индикатрисы.

Таким образом, оптические свойства анизотропных веществ есть функция от направления. Для того чтобы определить направление световых колебаний и показатели преломления кристалла в любом сечении, следует разрезать оптическую индикатрису плоскостью, перпендикулярной направлению луча. Тогда, согласно принципу построения индикатрисы, с полуосями эллипса, полученного в сечении, будут совпадать

направления колебаний, а величины полуосей бу-

дут соответствовать показателям преломления этих

двух волн (рис.1).

Анизотропные, т.е. двупреломляющие, вещест-

ва разделяются на одноосные и двуосные.

Оптическая индикатриса одноосного кристалла

имеет форму эллипсоида вращения. Одноосные кри-

сталлы обладают единственным направлением, в ко-тором не происходит двойного лучепреломления. Такое направление в кристаллах называется оптической осью.

В одноосных кристаллах оптическая ось совпадает с осью вращения эллипсоида. Сечение, проходящее через оптическую ось, называется главным оптическим сечением. Таких сечений в одноосных кристаллах бесчисленное множество. Сечение, перпендикулярное оптической оси, изотропно, его оптические свойства не отличаются от свойств изотропного вещества; геометрически оно имеет форму круга и называется круговым.

Во всех остальных направлениях образуются две плоскополяризованных волны — обыкновенная и необыкновенная. Обыкновенная волна имеет постоянный показатель преломления No, необыкновенная — обладает непостоянным показателем преломления Ne.

Максимальная разница между показателями преломления обыкновенной No и необыкновенной Ne волны будет наблюдаться в разрезах, параллельных оптической оси, а минимальная в — разрезах изотропных (перпендикулярных оптической оси). В остальных разрезах она будет промежуточной. Таким образом, любое сечение, кроме кругового, в одноосном кристалле будет иметь форму эллипса, одна из полуосей которого (No) — величина всегда постоянная (рис.1).

Одноосные кристаллы разделяются на оптически положительные (рис.2) и на оптически отрицательные (рис.3). В оптически положительных Ne>No, т. е. Ne=Ng, a No=Np, где Ng — обозначение наибольшего показателя преломления; Np — наименьшего; эллипсоид будет вытянут по оси вращения. В оптически отрицательных Ne<No, т. е. Ne = Np, a No = Ng, эллипсоид сплющен по оси вращения *. Если показатели преломления луча обыкновенного и необыкновенного близки, то форма эллипсоида вращения приближается к форме шара, т.е. к индикатрисе изотропного вещества.

Разность между наибольшим и наименьшим показателем преломления кристалла Ng—Np (Ne—No — для положительных и No—Ne — для отрицательных) называется силой двойного лучепреломления.

К оптически одноосным относятся кристаллы гексагональной, тетрагональной, тригональной сингоний.

Оптическая ось в этих кристаллах совпадает с осью сим-метрии высшего порядка, т. е. кристаллографической осью С.

Кристаллы низших сингоний — ромбической, моноклинной, триклинной, в которых нет двух кристаллографически равнозначных взаимно-перпендикулярных направлений (решетки их характеризуются неравенством осевых отрезков),

* Некоторые авторы (В.Н. Лодочников) показатель преломления кругового сечения No обозначают через средний Nm.

имеют оптическую индикатрису в форме трехосного эллипсоида, у которого оси по трем взаимно-перпендикулярным направлениям неодинаковы. Они соответствуют трем главным показателям преломления: наибольшему Ng, среднему Nm и наименьшему Np. Как известно из аналитической геометрии, трехосный эллипсоид имеет два круговых сечения, проходящих через среднюю ось, соответствующую Nm. Перпендикулярно к круговым

сечениям располагаются две оптические оси, поэтому кристаллы, имеющие такую индикатрису, являются оптически двухосными.

В оптически двухосных кристаллах различают три главных сечения: NgNp, NgNm, NmNp. Максимальная разница в показателях преломления, возможная в данном кристалле, характеризующая собой силу двупреломления Ng—Np, будет наблюдаться в сечении NgNp. В этой же плоскости, располагаясь симметрично по отношению к осям Ng и Np, лежат оптические оси, т. е. последние являются биссектрисами углов между ними. Плоскость NgNp называется плоскостью оптических осей. Острый угол между оптическими осями называется углом оптических осей 2v. В зависимости от того, какая из осей оптической индикатрисы (Ng или Np) является биссектрисой острого угла оптических осей, двухосные кристаллы разделяются на оптически положительные (рис. 4) и оптически отрицательные (рис.5). У оптически положительных кристаллов Ng является биссектрисой острого угла, а у оптически отрицательных — Np. Положений круговых сечений, а следовательно, и угол между оптическими осями зависят от относительных величин Ng, Nm и Np. Если два показателя преломления из трех главных близки друг к другу, то форма оптической индикатрисы в виде трехосного эллипсоида приближается к форме эллипсоида вращения; если же все три показателя близки друг к другу, то — к форме шара. Одновременно с этим изменяется и угол оптических осей 2v, он может варьировать от 0 до 90 °. Если обе оптические оси совпадают с острой биссектрисой Ng, кристаллы становятся одноосными положительными, если же они совпадают с острой биссетрисой Np, — одноосными отрицательными.

В кристаллах низших сингоний положение оптической индикатрисы различно: в кристаллах ромбической сингонии оси оптической индикатрисы всегда совпадают с кристаллографическими осями; в кристаллах моноклинной сингоний с кристаллографической осью в обязательно совпадает одна из трех осей оптической индикатрисы (большей частью ось Nm). Две другие оси оптической индикатрисы с остальными кристаллографическими осями не совпадают. Они образуют углы, величины которых являются константой для данного минерала. В кристаллах триклинной сингонии все кристаллографические оси в общем случае не совпадают с осями оптической индикатрисы, и положение ее носит случайный характер.

Все изложенное о форме оптической индикатрисы и положении ее в кристаллах различных сингоний выведено для колебаний определенной длины волны, т. е. при рассмотрении явлений в монохроматическом свете.

При исследовании в белом свете следует иметь в виду, что показатели преломления для различных цветов спектра не остаются постоянными и изменяются неодинаково. Поэтому форма оптической индикатрисы для волн различной длины будет неодинакова.

В связи с изменением формы оптической индикатрисы двухосновных минералов изменяется и угол оптических осей для различных цветов спектра. Это явление носит название дисперсии оптических осей.

В кристаллах моноклинной и триклинной сингоний изменяется положение оптической индикатрисы, а следовательно, и положение биссектрис угла оптических осей для волн различной длины. Такого рода дисперсия называется дисперсией биссектрис.

Само собой разумеется, что изменение показателя преломления для лучей различной длины волны повлечет за собой и изменение двупреломления, т. е. дисперсию двупреломления. Однако эти виды дисперсии для большинства минералов настолько незначительны, что практически ими можно пренебречь.

Полное определение оптических констант для бесцветного кристалла сводится к определению характера его оптической индикатрисы и выявлению ее ориентировки в кристалле.

Для окрашенных минералов, кроме того, следует учитывать явление поглощения света — абсорбцию. В окрашенных телах различные лучи спектра поглощаются с различной степенью интенсивности. На этом основании строится поверхность поглощения, которая аналогична поверхности оптической индикатрисы. Поверхность поглощения имеет различную форму и величину, она зависит от оптических свойств кристалла и от длины волны.

В кристаллах кубической сингоний и телах аморфных поверхность поглощения имеет форму шара, в одноосных кристаллах — форму эллипсоида вращения, в двухосных кристаллах — форму трехосного эллипсоида. Таким образом, в двупреломляющих кристаллах в зависимости от направления окраска будет изменяться. Это явление называется плеохроизмом. В оптически одноосных кристаллах наиболее резко окраска будет различаться по двум направлениям — в направлении, параллельном оптической оси и перпендикулярном ей, т. е. одноосные кристаллы являются дихроичными. В кристаллах двухосных окраска наиболее резко будет различаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях, т. е. двухосные кристаллы являются трихроичными.

Таким образом, оптические свойства анизотропных веществ есть функция от направления поэтому для получения определенных констант необходимо иметь определенные разрезы. Оптические константы изучаемого минерала можно получить либо путем исследования множества разрезов его, например, в разных зернах, либо в одном срезе, например, в одном зерне в шлифе, но придавая ему определенную ориентировку в пространстве при помощи столика Федорова.

Ниже в определенной последовательности излагаются все основные практические задачи по исследованию породообразующих минералов в шлифах с помощью поляризационного микроскопа.

Перед отдельными задачами даются небольшие теоретические предпосылки, чтобы занимающемуся был понятен смысл проделываемых операций.

Исследование кристаллического вещества с помощью поляризационного микроскопа разделяется на три этапа:

1) при одном поляризаторе (8 часов);

2) в скрещенных николях в параллельном свете (12 часов);

3) в скрещенных николях в сходящемся свете (4 часа).

В конце курса кристаллооптики выделяется 4 часа на проведение контрольной работы по определению всех оптических констант минералов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: