晶体光学必备知识点

晶体光学-必备知识点以上是吉林大学鸽子楼老师多年课件总结经典内容。第一章晶体光学基础晶体光学涉及某些重要的物理光学原理和结晶矿物学基础知识，本章要求学生重点掌握光的偏振现象、折射及折射率、光在晶体中的传播特性、晶体中的双折射现象、光率体和光性方位。其中重点是晶体中的双折射现象和光率体的构成；难点是光性方位。一、光的基本性质及有关术语·光具有“波粒”两相性。晶体光学主要利用的是光的波动理论。·光波是一种横波。光的传播方向与振动方向互相垂直。晶体中许多光学现象与此有关。·可见光：电磁波谱中波长范围390—770nm的一个区段，由波长不同的七色光组成。·自然光：在垂直光波传播方向的断面内，光波作任意方向的振动，且振幅相等。·偏振光：在垂直光波传播方向的断面内，光波只在某一固定方向上振动。自然光转化为偏振光的过程称偏振化。·折射定律：Sini（入射角）/Sina（折射角）=Vi（入射速度）/Va（折射速度）=NiaNia为介质a对介质i的相对折射律。当介质i为真空时，Nia称介质的(绝对)折射律，以N表示。N是介质微观特征的宏观反映，是物质的固有属性之一，因此它是鉴定矿物的重要光学常数之一。·全反射临界角和全反射：当光波从光密介质入射到光疏介质时，入射角i总是小于折射角a，当a=90°时，i=，此时入射角称为全反射临界角。当入射角i时，折射光波不再进入折射介质而全部返回到入射介质，这种能量的突变称为全反射。二、光在晶体中的传播根据光在物质中的传播特点，可以把自然界的物质分为光性均质体和光性非均质体。性均质体：指光学性质各方向相同的晶体。包括等轴晶系的矿物和非晶质物质。·光波在均质体中的传播特点：光的传播速度不因光的振动方向不同而发生改变（各向同性），联系折射定律可知，均质体的折射率只有一个。·光性非均质体：光性非均质体的光学性质因方向不同而改变（各向异性）。包括中级晶族(一轴晶)和低级晶族(二轴晶)的矿物。·光波在非均质体中的传播特点：光的传播速度因光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。因而非均质体的折射率也因光波在晶体中的振动方向不同而改变。·有关术语介绍：双折射、双折射率、光轴、一轴晶矿物、二轴晶矿物。（1）双折射：光波射入非均质体，除特殊方向外，将分解成振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏光，这种现象称为双折射。（2）双折射率：两种偏光的折射率值之差称为双折射率。许多晶体光学现象与此有关。（3）光轴：光波沿非均质体的特殊方向入射时，不发生双折射，这种特殊的方向称为光轴。中级晶族具有一个这样的特殊方向，称为一轴晶矿物；低级晶族具有两个这样的特殊方向，称为二轴晶矿物。三、光率体光率体是表示光波在晶体中传播时，折射率值随光波振动方向变化的一种立体几何图形或一种光性指示体。其作法是设想自晶体中心起，沿光波振动方向按比例截取相应的折射率值，再把各个线段的端点连接起来便构成了光率体。·均质体光率体：其传播速度不因振动方向不同而发生改变，即折射率值各方向相等。因此均质体光率体是一个球体，球体的半径代表该晶体的折射率。·一轴晶光率体：一轴晶光率体是一个以C轴为旋转轴的旋转椭球体。（1）有关术语解释：光学主轴（Ne轴、No轴）；主折射率（Ne、No）；折射率（Ne’）；正光性（NeNo）；负光性（NeNo）；最大双折射率（∆）。（2）主要切面类型：1）垂直光轴切面：圆切面。半径为No，光波垂直该切面入射不发生双折射。2）平行光轴切面：椭圆切面。长短半径分别为Ne或No，光波垂直该切面入射发生双折射，双折射率等于Ne与No的差的绝对值，为一轴晶晶体的最大双折射率。3）斜交光轴切面：椭圆切面。长短半径分别为Ne’或No，双折射率等于Ne’与No的差的绝对值，介于零与最大值之间。·二轴晶光率体：二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体。（1）有关术语解释：光学主轴(Ng、Nm、Np轴)；主折射率（Ng、Nm、Np；且Ng＞Nm＞Np）；主轴面；两根光轴(OA)；光轴面（AP）；光轴角(2V)；锐角等分线(Bxa)；钝角等分线(Bxo)；正光性；负光性。（2）主要切面类型：1）垂直一根光轴切面（OA）：圆切面。半径为Nm，光波垂直该切面入射不发生双折射。2）平行光轴面切面（AP）：椭圆切面。长半径为Ng，短半径为Np，光波垂直该切面入3）垂直Bxa切面：椭圆切面。对于正光性，长半径为Nm，短半径为Np，双折射率等于Nm-Np；对于负光性，长半径为Ng，短半径为Nm，双折射率等于Ng-Nm。4）垂直Bxo切面：椭圆切面。正光性和负光性的长短半径的特点与垂直Bxa切面相反。5）斜交切面：椭圆切面。长短半径分别为Ng’和Np’（Ng’大小介于Ng与Nm之间；Np’大小介于Nm与Np之间），双折射率等于Ng’-Np’。四、光性方位指光率体在晶体中的位置，即光率体主轴（No、Ne轴或Ng、Nm、Np轴）与结晶轴（a、b、c轴）之间的相互关系。对低级晶族（二轴晶）矿物具有重要的鉴定意义。·高级晶族:可不考虑其光性方位问题。·中级晶族（一轴晶）：结晶轴C轴与光轴Ne轴一致。·低级晶族（二轴晶）：分为以下三种情况。（1）斜方晶系：三个主轴分别平行结晶轴。（2）单斜晶系：晶体的b轴与三个主轴之一平行。（3）三斜晶系：三个主轴与三个结晶轴均斜交。第二章偏光显微镜（透射）偏光显微镜是岩矿综合鉴定的精密光学仪器，与一般生物显微镜的主要区别在于安装有两个偏光镜。本章教学目的是结合实物使学生了解偏光显微镜的基本构成、必备附件、使用方法及养护规则。一、偏光显微镜的构成·机械系统主要部件（1）镜座与镜臂：支撑显微镜及连接光源、物台、镜筒。（2）镜筒：连接目镜和物镜的部件.（3）物镜转换器：用于安装、选择不同倍数的物镜。（4）载物台：放置薄片用的可3600转动的圆形平台（5）焦准设备(升降系统)：分粗调和微调，作用是调节焦距，使物象清晰。（6）聚光镜架：连接聚光镜、下偏光镜、上锁光圈等的部件。（7）上、下锁光圈：控制光的通过量。·光学系统主要部件（1）光源：分为自然光源和人工光源，目前多数显微镜采用人工光源。（2）下偏光镜：在聚光镜架底部，作用是把自然光转变为偏光。其振动方向一般为东西向。（3）聚光镜：在聚光镜架上部，作用是把偏光转变为锥光，使显微镜处于偏光系统。（4）物镜：由多组透镜组成，连接在物镜转换器上，是决定放大倍数及成像质量的重要部件。按放大倍数分为三类：高倍镜（40倍和100倍）中倍镜（10倍和20倍）、低倍镜（2.5´和4四倍）。（5）目镜：由眼透镜和场透镜组成。目镜中附有十字丝，倍数有10倍和8倍两种。（6）上偏光镜：位于目镜和物镜间，振动方向与下偏光振动方向垂直，可自由推入或拉出。（7）勃氏镜：位于目镜和上偏光镜间，可自由的推入或拉出，与聚光镜和高倍镜配合使用。二、偏光显微镜的调节与校正·选择并装配物镜和目镜：按需要选择物镜和目镜，在安装目镜时注意其内十字丝的方向。·调节照明：打开光源灯，调节变压器旋扭，直到亮度适度为止。·焦准：将薄片置于物台上，在教师指导下，用粗调或微调调焦至物象清晰。在此过程中，千万注意，物镜前透镜不要与薄片接触，以免打碎薄片或损坏镜头。·物镜中心的校正：物台旋转轴、物镜中轴、镜筒中轴、目镜中轴必须保持在一条直线上，偏光显微镜才能正常使用，目前有关物镜中心的校正将由指导教师来完成。·下偏光镜的检查：下偏光镜的振动为东西向。当黑云母的解理平行下偏光镜的振动方向时颜色最深，据此可以检查、调节下偏光镜的振动方向。·上偏光镜的检查：移去薄片，视域黑暗，说明上偏光振动方向与下偏光振动方向互相垂直。否则，需要进行调节，调节工作由指导教师来完成。三、偏光显微镜的养护偏光显微镜价格昂贵并且是我们日常教学和科研中必备的光学仪器。要想保证偏光显微镜的良好使用状态，延长偏光显微镜的使用寿命，就必须精心养护，有关偏光显微镜的使用规定及养护原则请参见实验室管理规定及教科书第49页。第三章单偏光系统下晶体的光学性质单偏光系统是指在只使用下偏光镜(起偏镜)的情况下，观察和测定矿物光学性质的系统。在单偏光系统下，自光源发出的光波通过下偏光镜后变成振动方向平行下偏光镜振动方向的偏光，然后通过薄片到达目镜，将产生一系列光学现象。矿物的外表特征（形态、解理等）、与矿物吸收性有关的光学性质(颜色、多色性、吸收性等)、与矿物折射率有关的光学性质（突起、闪突起、糙面、边缘、贝克线、色散线等）。其中难点是突起及其判断标志。一、矿物的形态（1）控制因素：矿物成分、内部结构、物化条件、晶出顺序。（2）观察内容：矿物自形程度、矿物单体形态、矿物集合体形态。·矿物自形程度：自形晶、半自形晶、它形晶。·矿物单体形态：粒状、针状、板（条）状、柱状、片状。·矿物集合体形态：纤维状、放射状、球粒状、网状、交生状、雏晶状。（3）观察方法：同一矿物不同切面特点不同（图3-1），因此需要综合不同切面的特征，才能正确判断出矿物的单体形态。图3-1同一单体不同切面形态示意图二、解理及解理夹角（1）解理的表现形式：在薄片中，解理表现为沿一定方向平行排列的细缝(解理缝)。缝中为树胶所充填，因矿物的折射率与树胶不同而使解理缝得以显现。（2）解理等级的划分：薄片中的解理按其完善程度可以分为三级。·极完全解理：解理缝很细、很密集、很清楚，且贯穿整个晶体，例如黑云母的解理。·完全解理：解理缝清楚，疏密中等，不完全贯穿晶体，例如角闪石的解理。·不完全解理：解理缝宽而稀疏，不清楚，断续通过晶体，例如橄榄石的解理。（3）影响解理缝清晰程度的因素：主要应考虑以下三方面。·矿物解理的完善程度：解理缝清晰程度解理的完善程度成正向关系。·切片的方向：切片的法线方向与解里面平行时解理最清楚。随着两者夹角增大，解理缝变得不清楚。增大到一定角度时，解理缝就看不见了，这个角度称解理可见临界角。·矿物折射率：矿物折射率与加拿大树胶折射率的差值.决定着解理缝的可见临界角。（4）解理等级和组数的判定：综合观察多种切片才能得出正确的结论（图3-2A）。（5）解理缝与裂纹的区别：解理缝较细密、平直，且缝的间距大致相等，以此区别于裂纹。（6）解理夹角的测定：·切片方向的选择选择同时垂直两组解理面的切片（图A），特征是两组解理缝最细最清楚，当解理缝平行目镜十字丝时，微微升降镜筒，两组解理缝不左右移动。·解理夹角的测定步骤：将选择好的切片置于视域心。转动物台，使一组解理缝平行目镜十字丝纵丝，读取此时物台刻度盘上的度数a（图B）；再转动物台，使另一组解理缝平行目镜十字丝纵丝，读取此时物台刻度盘上的度数b（图C），a与b的差就是所测解理夹角。ABACBDEHFGKCB图3-2切片的选择及解理夹角的测定步骤示意图三、与矿物吸收性有关的光学性质（颜色、多色性、吸收性）（1）颜色：指在单偏光镜下，白光透过晶体后所呈现出来的颜色，它是矿物对不同色光选择性吸收的结果。注意，薄片中的颜色不同于手标本的颜色。（2）多色性和吸收性：在单偏光镜下，某些非均质体矿物的颜色随物台转动而发生变化，这种现象称为多色性，颜色深浅的变化成为吸收性。·成因：非均质体矿物非垂直光轴切片，各方向的光学性质不同，对光波的选择性吸收及吸收总强度也随方向而变化，只是多数非均质体矿物这种变化不明显而已。·表达方式：多色性公式和吸收性公式多色性公式：Ne=浅紫色No=深蓝色;Ng=Nm=Np=吸收性公式：NeNo(正吸收)或NgNmNp(反吸收)等.·影响因素：矿物本身性质,切片方向,薄片厚度。四、与矿物折射率有关的光学性质（边缘、贝克线、糙面、突起、闪突起）（1）突起：在薄片中观察，不同矿物的表面有高低不平的感觉，这种现象称突起。·原因：不同矿物折射率与树胶折射率的差值不同，像点的位置就会高低不一样。·分类：矿物的折射率大于树胶的折射率时，称正突起，矿物的折射率小于树胶的折射率时，称负突起。具体划分为六个等级(表3-1)表3-1突起等级分类及各级突起主要特征突起等级糙面及边缘特征实例负高突起1.48糙面及边缘显著，提升镜筒，贝克线移向树胶。负低突起表面光滑，边缘不