第一章晶体光学基础剖析

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1、1,晶 体 光 学,合肥工业大学 资源与环境工程学院,王 道 轩,2,一、本人介绍 二、晶体光学课程评分,授课教师：石永红 毕业：中国科学院地质与地球物理研究所 专业：矿物、岩石、矿床学 研究方向：造山带区域变质岩石学 沉积大地构造 年代学,考试评分： 期末考试 (40%) + 平时成绩 (30%) + 实验成绩 (30%) 期末考试闭卷 实验成绩显微镜观测 平时成绩考勤、作业、随堂测试及讲课,3,绪 论,一、晶体光学 研究在投射光照射下，晶体所产生的一系列光学现象和规律的一门学科。 不同的晶体其光学性质各异，各种矿物晶体具有各自的光学性质。晶体光学就是根据透明矿物（晶体）的光学性质来区分和鉴

2、别矿物的。 晶体光学是透明矿物和岩石鉴定及研究的必不可缺少基础理论。 晶体光学还可以广泛用于陶瓷、玻璃、医药、化学、化工、建筑材料、铸石以及有机、无机合成材料以及刑事侦察等方面的研究。,4,二、课程目的和要求,系统地介绍偏光显微镜鉴定或研究透明矿物的基本原理和方法。 1、了解偏光显微镜的的基本结构构造，掌握偏光显微镜的操作方法和简易维护知识。 2、学会在单偏光、正交偏光和锥光三种环境下，正确观察、鉴别透明矿物的各种光学性质，并能正确测量相关光学参数。 3、掌握常见造岩矿物(橄榄石、辉石、角闪石、黑云母、白云母、斜长石、正长石、石英和方解石等)主要光学特征。,5,三、课程内容,第一章 晶体光学基

3、础 1 光的波动 2 光的折射与全反射 3 自然光和偏振光 4 光波在均质体和非均质体中的传播特点 5 光率体 6 光性方位 7 色散,6,第二章 偏光显微镜,1 偏光显微镜的构造 2 偏光显微镜的调节和校正 3 岩石薄片的制作方法,7,第三章 单偏光镜下的晶体光学性质,1 单偏光镜的装置及特征 2 矿物的形态及解理 3 薄片中矿物的颜色、多色性和吸收 4 薄片中矿物的边缘、贝克线、糙面,8,第四章 正交偏光镜间的晶体光学性质,1 正交偏光镜的装置及光学性质 2 正交偏光镜间的矿片的消光和消光位 3 正交偏光镜间的矿片的干涉现象 4 干涉色及干涉色谱 5 补色法及补色器 6 正交偏光间主要光学

4、性质的观测和测定,9,第五章 锥光镜下的晶体光学性质,1 锥光镜的装置及光学特点 2 一轴晶干涉图 3 二轴晶干涉图 4 锥光镜下色散现象的观察,10,实验课内容,1、准焦、中心校正、视域直径测定、目镜十字丝检验、偏光的校正，参观磨片室 ； 4学时 2、矿物的解理、多色性及吸收、突起、糙面、贝克线的观测和鉴定； 6学时 3、干涉色色序和级序、双折率、消光类型、延性及双晶的观察与测定； 6学时 4、一轴晶矿物干涉图的观察及光性符号的测定； 2学时 5、二轴晶矿物干涉图的观察及光性符号的测定 。 2学时,11,参考文献,晶体光学，北京大学地质系，1980，地质出版社 光性矿物学，北京大学地质系，

5、1980，地质出版社 光性矿物学，王德兹，1976, 地质出版社 矿物学原理, 潘兆鲁, 1987, 地质出版社,12,第一章 晶体光学基础,13,1 光的波动性,科学实验早已证明，光和无线电波一样是一种电磁波。 电磁波是电磁振动（变化的电磁场）在空间的传播过程。 电磁振动方向垂直其传播方向，即横波(光波)。 完整的电磁波是一个广阔的区段。它包括波长较长的无线电波，直至波长最短的射线。将各种波长的电磁波按其波长顺序排列，即构成电磁波谱（图1）。,由图1可知，可见光波是电磁波谱中很窄的一个区间，其波长范围大致再390770nm之间，它们是赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。常见的白光就是这七种单色光的组

6、成的混合光。,14,2 自然光和偏振光,根据光波的振动特点，可分为自然光和偏振光。从光源直接发出的光，一般都是自然光，如太阳光、灯光等。 自然光 是由无数方向横振动合成的复杂混合波。其振动特点是：在垂直光波传播方向的平面内，各个方向上都有等振幅的光振动（图4A）。 偏振光 只在垂直传播方向的某一固定方向上振动的光波，称平面偏振光，简称偏振光或偏光（图4B）。偏光振动方向与传播方向所构成的平面称振动面。,15,3 光的折射及全反射,一、光的折射及折射率 当光波从一种介质传到另一种介质时，在两种介质的分界面上将发生反射及折射现象。 反射光按反射定律返回原介质，折射光按折射定律折射进入另一介质。 透

7、明矿物的研究，主要涉及折射光。 物理学告诉我们折射光遵循的规律： Vi/Vr=sini/sinr=N Vi-光波在入射介质中的传播速度，Vr-光波在折射介质中的传播速度。,当两个介质一定时，N为一常数，称为第二介质（折射介质）对第一介质（入射介质）的相对折射率。如果入射介质为真空（或空气），则N值称为折射介质的绝对折射率，简称折射率。,16,Vi / Vr = sin i / sin r = N （3）,从（3）式可以看出：当入射介质一定时，光波在折射介质中的传播速度Vr愈大，该介质的折射率N愈小；反之，光波在折射介质中的传播速度Vr愈小，其折射率N愈大。即介质的折射率值与光波在该介质中的传播

8、速度成反比（即Vi / Vr = Nr / Ni）。 一般说来，光在光疏介质中传播速度大，在光密介质中传播速度小。光在真空中的传播速度最大，在空气中的传播速度与真空中的传播速度几乎相等。空气的折射率为约1（1.0003或1.00029）。光在液态和固态介质中的传播速度总是小于真空中的传播速度，因此，其折射率总是大于1。 介质的折射率大小取决于光波在该介质中的传播速度。光波的传播速度又取决于光与介质的相互作用。一定特征（波长，振动方向等）的某种光波在介质中的传播速度取决于该介质的成分和微观结构（离子排列、键性及堆积紧密程度）。因此，折射率值是反映介质（尤其晶体）的成分及微观结构的重要常数。实践证

9、明，折射率值是鉴定透明矿物较可靠的光学常数之一。,17,二、光的全反射及全反射临界角,由折射定律可知，当光由光疏介质射入光密介质时，其Vi Vr ，相对折射率大于1，即sin i / sin r 1，i r，其折射线更靠近法线。反之，当光由光密介质射入光疏介质，其Vi Vr ，相对折射率小于1，即sini / sinr n），以角代表全反射临界角，则： sin /sin 90= n / N n = N. sin 由上可知，如果某介质的N值为已知值时，则可根据全反射临界角计算出另一的介质n值。 测定折射率的阿贝折射仪就是利用全反射原理设计制成的。,N,n（Nn）,入射线,18,4 光波在均质体和

10、非均质体中的传播特点,1、晶体的分类 根据透明物质的光学性质，可划分为两大类： 均质体 等轴晶系矿物和非晶质物质的光学性质各方向相同，称为光性均质体，简称均质体，如石榴石、萤石、火山玻璃、加拿大树胶等都是均质体。 非均质体 中级晶族和低级晶族矿物的对称程度低于等轴晶系矿物，其光学性质随方向而异，称为光性非均质体，简称非均质体，如石英、长石、橄榄石等。绝大多数造岩矿物属于非均质体，是我们研究的重点。,19,2、光波在均质体中传播时的特征,光性均质体（各向同性介质）： 特定频率的光波在均质体中传播时，其传播速度不因光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。也就是说，均质体的折射率值不因光波在晶体中的振

11、动方向不同而发生改变，其折射率值只有一个。光波射入均质体中发生单折射现象（如第二节所述），基本不改变入射光波的振动特点和振动方向（图5）。 也就是说，自然光射入均质体后，基本上仍为自然光；偏光射入均质体后仍为偏光，而且其振动方向基本不改变。,20,光性非均质体（各向异性介质）： 特定频率的光波在非均质体中传播时，其传播速度随光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。因此，非均质体的折射率值亦随光波在晶体中的振动方向不同发生变化，即非均质体的折射率值有许多个。光波射入非均质体，除特殊方向外，都要发生双折射，分解形成振动方向不同，传播速度不同、折射率值不等的两种偏光（如图6中的Po与Pe）。两种偏光的

12、折射率值之差称为双折率。当入射光波为自然光时，非均质体能改变入射光波的振动特点。当入射光波为偏光时，也可以改变入射光波的振动方向。,21,3、光轴,是不是光波沿任何方向射入都要发生双折射呢？ 实验证明，光波沿非均质体的特殊方向射入时（如沿中级晶族晶体的Z轴方向），不发生双折射，基本不改变入射光波的振动特点和振动方向。 在非均质体中，这种不发生双折射的特殊方向称为光轴。 中级晶族晶体只有一个光轴方向，称为一轴晶； 低级晶族晶体有两个光轴方向，称为二轴晶。,22,4、一轴晶矿物发生双折射分解的特征,特定频率的光波射入一轴晶矿物，发生双折射分解成两种偏光（图6）。 一种偏光的振动方向永远垂直Z晶轴，

13、其传播速度及折射率值不变，称为常光，以符号“o”表示（图6中的Po）。 另一种偏光的振动方向平行于Z晶轴与光波传播方向（波法线）所构成的平面，其传播速度及折射率值随振动方向不同而改变，称为非常光，以符号“e”表示（图6中的pe）。,23,5 光率体,什么叫光率体？ 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。也可以说它是光波振动方向与该方向上相应折射率值之间的一种光性指示体。 具体作法：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，每一个振动方向都能作出一个线段，把各个线段的端点连接起来便构成一个立体图形，即光率体。 晶体中不同振动方向的折射率值

14、，可以利用不同方向的晶体切面，在晶体折射仪或油浸法中测出。因此，光率体不是臆造的，而是从晶体光学的具体现象中抽象得出的立体概念。 光率体反映了晶体光学性质中最本质的特点。其形状简单，应用方便。在以后各章中都将应用光率体解释各种晶体光学现象。,24,一、均质体的光率体,光波在均质体中传播时，向任何方向振动，其传播速度不变，折射率值相等。因此，均质体的光率体是一个圆球体（图7）。 均质体光率体任何方向的切面都是圆切面，圆切面的半径代表均质体的折射率值（N）。,25,二、一轴晶光率体,中级晶族矿物晶体的水平晶轴单位相等，其水平方向上的光学性质相同。根据测定，这类矿物有最大和最小两个主折射率值，即Ne

15、和No表示。 当光波振动方向 Z轴时，折射率值为Ne； Z轴时，折射率值为No； 斜交Z轴时，折射率值介于Ne Ne No。 Ne值大小随光波振动方向与Z轴的夹角角大小而变化。 显然，一轴晶光率体是一个以Z晶轴为旋转轴的旋转椭球体，而且有正负之分。 现以石英和方解石为例，分别说明。,26,1、石英光率体（一轴晶正光性）,（1）当光波Z轴方向射入时（图8A），不发双折射，各个振动方向上的折射率 No=1.544。其振动面是一个Z轴，半径为No=1.544的圆切面。 （2）当光波石英Z轴射入晶体时（图8B），发生双折射，分解成两种偏光。其一振动方向 Z轴（常光），折射率值 No=1.544。另一振

16、动方向 Z轴（非常光），其折射率值 Ne=1.553。其振动面为包含Z轴的椭圆切面。光率体的形态为以Z轴为旋转轴的一个长形旋转椭球体（图8C），雪茄烟式。,光率体的特征：旋转轴为长轴（图8C及图9），光波平行Z轴（光轴）振动时，NeNo。光率体称为一轴晶正光性光率体，相应的矿物称一轴晶正光性矿物。,27,2、方解石光率体,(1)当光波Z轴射入晶体时，不发生双折射，各个振动方向的折射率为No=1.658; (2)当光波Z轴射入晶体时，发生双折射，分解成两种偏光。其一振动方向垂直Z轴（常光），折射率No=1.658。另一种振动方向平行Z轴（非常光），折射率Ne=1.486。于是构成以Z轴为旋转轴的一个扁形旋转椭球体（图9），类似于铁饼。 与石英光率体的区别在于其旋转轴为短轴，光波