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1、晶体光学 Optical Crystallograpgy,主讲教师：张桂林 办公地点：教四搂4102 电 话：13977379173 QQ: 353133861 E-mail: 我的博客：,什么是晶体光学？ 晶体光学是在偏光 显微镜下研究可见光 通过矿物晶体时 所产生的一些光学现象 (折射、反射、双折射、 消光、干涉等)及其 原因的一门学科。,单偏光镜下特征,正交偏光镜下特征,手标本,闪长岩,大理岩（方解石）,正交偏光镜下观察的光学性质,单偏光 正交偏光,手标本,斜长石 环带结构,为何使用显微镜?,绝大部分造岩矿物是透明的，称为透明矿物。应用晶体光学知识、利用透射偏光显微镜是鉴定和研究透明矿物
2、及岩石的最重要方法手段之一。,晶体光学的应用有哪些?,研究对象：矿物、岩石、玻 璃、 陶瓷、药品和建材等。应用范围涉及地质、材料、宝石等。 学习要求：了解晶体光学基本原理； 学会正确地使用偏光显微 镜；掌握主要造岩矿物的光学特征； 科学地思维、与 解决问题。,教材及参考书目,晶体光学(第二版)，李德惠主编，地质出版社，1993 晶体光学，汪相 主编，南京大学出版社，2003 光性矿物学，北京大学地质系， 地质出版社，1979 光性矿物学，王德滋， 上海科技出版社，1976 透明矿物薄片鉴定手册， 常丽华等编， 地质出版社，2006,教学内容,晶体光学基础 偏光显微镜 单偏光镜下的晶体光学性质
3、正交偏光镜下的晶体光学性质 锥光镜下的晶体光学性质 透明矿物的系统鉴定 10次理论课(20学时)+10次实验课(20学时) 考核标准：理论60-70%。实验占30-40%，,学习难点： 光率体理论是晶体光学原理及方法的基础，始终贯穿于各种光学现象的原理及操作方法中，但其概念较为抽象，空间方位特性强，所以在学习过程中应充分发挥空间想象力，把立体模型与光学现象相联系、并紧密结合实验加以理解。,学习晶体光学应该注意的几个问题： （1）理论与实际相结合，特别强调实际操作 能力； （2）空间立体概念非常重要，应加强空间 想象能力的培养； （3）显微镜是主要的实践工具，要熟练使 用并注意精密仪器的维护。,
4、光的特征 光是一种电磁波，振动方向与传播方向垂直（横波）,可见光是电磁波谱中的一段，波长390770nm。 390 446 464 500 578 592 620 770 | 紫 | 青 | 蓝 | 绿 | 黄 | 橙 | 红 |,光是什么？,牛顿七色,白光的色散,光是什么？,光以光波的形式进行传播,光波从光源传播到眼睛,眼睛,光线,光源,I = f(A),振幅, A,波长l,波长单位通常用纳米(nm)或埃( ) 1m=1010埃( )=103mm= 106um =109 nm,有关参数和公式: f 频率 (hz) = 每秒振动次数, 单位 s-1 f = v / (v - 光速) v = 3
5、105 km/s (每秒30万公里),电磁波的振动方向与传播方向互相垂直，即电磁波是横波，故光波亦是横波。在晶体光学中有不少现象(单偏光、正交偏光、干涉)都与此特征有关。,自然光与偏振光,自然光,偏振光,偏光镜,光的传播方向,光的振动方向,而在所有方向上的振动都与传播方向垂直,偏光自然光经过反射、折射、双折射或选择性吸收等作用后，可以转变为只在一个方向上振动的光波，称为偏振光或偏光。,自然光包括无数个不同方向振动的光 光束 = 无数的光子，每一个都沿着不同的面振动,振动的方向,传播方向,当光通过偏光显微镜时会有什么发生？,偏光,自然光,每一个光子以波的形式在一个单一面上振动,振动面,偏振光仅包
6、括相同振动方向的光。 光束 = 无数的光子都沿着同一个面振动,振动面偏光振动方向与传播方向所构成的平面称为振动面。,当光波从一种介质进入另一种介质时，会在界面上发生折射与反射现象。折射光按折射定律进入另一介质中，而反射光按反射定律返回原介质。,光的折射与反射,入射面：入射光与法线构成的平面。,当光通过一种物质进到另一种物质时，伴随着传播速度的改变会发生改变传播方向的现象即入射光线和折射光线不在一直线上，这种现象称为光的折射(Refraction). 。 当斜照光由光疏介质进入光密介质时，光线偏向法线，反之偏离。入射光平行法线入射时不发生折射。,折射,例如:“筷子斜插入水杯中，水下部分向上弯折（
7、变缓）”，“站在岸上看水中的鱼，比实际位置浅”等 把水下物体部分，细分成无数个点，如下图中的A点是其中的一个点，从A点发出的光，从水斜射入空气中时，根据光的折射规律：折射光线向远离法线方向偏折。人的眼睛逆着折射光线的方向看去，就看到了虚像A。这样就有了“水下部分向上弯折”“比实际位置浅”等现象。,实例-生活中的折射现象,注意： 不要把光路误认为是筷子，而得出筷子在水中变陡的错误结论！,折射与折射率,当光通过矿物发生折射时，我们不直接测量其速度，而是代之以测量一个与光速有关的参数折射率（n）。,n,在空气中的传播速度,在矿物中的传播速度,=,Snell 定律(折射定律)： Va/Vm=nm/na
8、=sini/sinr n=Va/Vm=常数/Vm a=空气， m=矿物，i=入射角，r=折射角,入射线,i,r,空气=低折射率，低密度，高速度矿物=高折射率，高密度，低速度,a,m,惠更斯原理,R1,R2,N,O,M,A,B,S,i,r,MN=OMsiniOS=OMsinrMN/OS=OMsini/OMsinrMN=vi(t2-t1)OS=vr(t2-t1) vi(t2-t1)/vr(t2-t1)=sini/sinr=vi/vr=n,1) 折射线处于入射线与法线构成的平面内； 2) 入射线与折射线分别位于法线两侧, 若光疏-光密, ir, 反之光密-光疏, ir.,折射定律,光的反射定律,反射
9、光与入射光同在入射平面内，但分别位于法线的两侧，入射角等于反射角,全反射,当光线由B射入A，如果入射角增至一定角度，使折射角等于90，这个入射角称为全反射(Total reflection) 临界角，简称临界角；入射角大于全反射临界角的所有入射线均发生全反射。,i = , r=90 i , 全反射,全反射的用途：当全反射临界角和N已知时，可求出n 阿贝折射仪（测定固体和液体折射率） 当光线由折射转变为全反射临界状态时，折射介质中无折射光线，突然变暗，可以通过观察，读出临界角,全反射临界角： 当r=90时的入射角， Sin()/Sin(90)=n小/N大 Sin()=n小/N大,全反射,全反射临
10、界角,Ni sin i=Nr sin r 若i = , r=90(全反射条件) Ni sin =Nr sin 90 = Nr 所以： sin Nr Ni ( Ni Nr ) 若折射进入空气， Nr =1 sin 1 Ni 则任何一个已知N的物质,均可以求出 例如：金刚石N=2.4 sin 1/2.4=0.42 25 注意: 若在薄片中折射进入树胶,则全反射临界角sin 1.54/2.4=0.64; 40,i = , r=90 i , 全反射,光进入光学纤维后,多次 在内壁上发生全内反射, 光从纤维的一端传向另 一端.,光学纤维:中央折射率 大,表层折射率小的透 明细玻璃丝.,光在物质中的传播特
11、点,光带有电和磁两部分能量，在矿物学中，主要是入射电能与矿物的电性特征之间的相互作用。 光在矿物中的传播取决于入射光的性质与其结构特征，即入射光的电场与物质结构中的离子相互作用的方式，以及矿物结构中的粒子堆积方式。,思考: 为什么岛状、链状结构的硅酸盐矿物的折射率，一般都大于层状、架状结构的硅酸盐矿物的折射率？ 锆石（岛状）N=1.92-1.96 铁橄榄石（岛状）N=1.80-1.88 普通辉石（链状）N=1.67-1.77 普通角闪石（链状）N=1.62-1.70 黑云母（层状）N=1.57-1.69 白云母（层状）N=1.55-1.62 斜长石（架状）N=1.53-1.57 石英（架状）N
12、=1.54-1.55,光性均质体(各向同性介质)及性质,光波入射晶体后，其在各个方向上的传播速度都相等，所以只有一个折射率，不改变入射光波的性质，这样的物体称为光性均质体，简称均质体,有等轴晶系晶体，玻璃等。 其N在各个方向一样,可以使光反射和折射,但是不改变入射光的性质。 自然光仍为自然光 偏 光仍为偏 光 对于一种均质体,其N是唯一的.,常见造岩物质中的均质体,石榴石 白榴石 萤石 尖晶石 火山玻璃 蛋白石 石盐,光性非均质体(各向异性介质),光波射入时，其传播速度随振动方向不同而发生变化，因而其折射率值也因振动方向不同而改变，这样的物体称为光性非均质体，简称非均质体。非均质体为具中级和低
13、级晶系的晶体。 非均质体的折射率不只是一个，而是无数个。 光性非均质体源自晶体内部结构差异，包括离子种类、键性、离子排列形式、堆积紧密程度等。,所有的非均质矿物都能够将所通过的光分解成两个彼此垂直并以不同速度传播的面偏光,矿物颗粒,面偏光,快光,慢光,下偏光镜,W,E,当光被分裂: 速度会变化 光会产生弯曲 (折射) 2 个新的振动方向 通常可以看到新的颜色,非均质体中的双折射现象,当一束自然光入射到非均质体上时，折射光分为两束传播方向不同且相互垂直、速度不等的偏振光，这种现象称为双折射现象。,冰洲石的双折射现象,如果将冰洲石的一个解理面盖在有一个黑点的纸上，透过冰洲石则出现两个黑点，再在纸面
14、上转动冰洲石时，发现其中一个黑点o始终不动，而另一个黑点e则围绕这个不动的黑点o作圆周运动。,若将平躺的冰洲石慢慢以菱形的短轴(C轴)直立，则黑点e向黑点o靠拢，甚至两点互相重合起来，说明光波沿C轴入射不发生双折射，这个特殊方向称为光轴。,天然方解石晶体是一平行六面体(菱面体),每一面都是菱形,大角约为1020, 小角约为780. 菱面体中有两个相对的分别由三个钝角围成的顶角, 连接这两个顶角, 与连线平行的方向既是方解石光轴的方向，该方向为3次旋转轴方向.,e,重影: 光 两条具有不同传播与振动方向的光、 它们都是偏光并且彼此相互垂直,O-光 (常光 Ordinary) 服从 Snell 定
15、律 沿直线传播， 振动 包含 c-轴的面 (“光轴面optic axis”) 各方向传播速度和N相同折射率为No E-光 (异常光Extraordinary) 折射光在含有c-轴的面 上振动。 除垂直光轴方向，传播不服从 折射 定律 ， 沿不同方向传播，速度不同，折射率不同折射率为Ne 。,冰洲石与双折射,主平面：光线与光轴确定 的平面,o,尼科尔棱镜如何产生单偏光?,前半个棱镜中的o光射到树胶层中产生全反射，e光不产生全反射，能够透过树胶层，所以自尼科耳棱镜出来的偏振光的振动面在棱镜的主截面内。,思考：为什么o光与e光折射后会分开？且o光更靠近界面法线？为什么o光会发生全反射？而e光不发生全反射？,尼科尔棱镜制造方法,尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的双折射现象用冰洲石制成的一种偏振仪器。,将冰洲石晶体沿着垂直于主截面及两端面的AN切开，再用加拿大树胶粘合起来。,
