Микроскопическое изучение оптических свойств кристаллов

Министерство  образования РФ

Северо-Кавказский ГТУ 
 
 
 
 

Кафедра: геология нефти и газа 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

Тема: “Микроскопическое изучение

  оптических свойств  кристаллов” 
 
 

Выполнил: студент

. 

Принял

Ставрополь 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

Введение…………………………………………………………………4

Глава 1. Оптическая индикатриса кристаллов различных  сингоний…………………………………………………………………5

Глава 2. Устройство микроскопа и его поверки………………….15

2.1   Устройство  микроскопа…………………………….………..15

2. Основные поверки микроскопа…………………………….18

Глава 3. Плоскополяризованный свет……………………………...23

   3.1. Естественный  и поляризованный свет……………………...23

   3.2. Преломление  лучей……………………..……………………..25

Глава 4. Устройство призмы Николя и ход лучей через  неё………………………………………………………………………..28

Глава 5. Изучение оптических свойств

кристаллов при  одном Николе………………………………………29

5.1. Изучение  формы кристаллов и спайности…………………29

5.2. Изучение  цвета и плеохроизма минаралов………………...33

5.3. Определение  величины показателя преломления  минералов…………………………………………………………….34

5.4. Способы определения показателя

 преломления  минералов……………………………………………..35

Глава 6. Исследование оптических свойств кристаллов

 при двух  Николях…………………………………………….………37

6.1.Определение  силы двойного лучепреломление  минералов...37 

Заключение……………………………………………….…………….33

Использованная  литература…………………………….……………34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

     Наука о кристаллах – кристаллография изучает законы строения твердых тел, характеризует кристаллическое вещество закономерным геометрически правильным внутренним строением.

   Доказано, что кристаллическое строение свойственно  подавляющему большинству минералов  и горных пород, слагающих земную кору, а значит имеет первостепенное значение в строении Земли.

   В промышленности все материалы (металлы  и сплавы, каменные строительные материалы, цемент и кирпич, и п.т.) –состоят из кристаллических  зерен минералов.

     Кристаллография создала целый  ряд специальных кристаллографических  методик, имеющих большое практическое  значение и распространение.

   Наука о кристаллах дает общее понятие  о свойствах и строении твердого вещества. По этому входит в комплекс общеобразовательных дисциплин.

   Является  основой для происхождения предметов  минералого цикла – минералогии, петрографии, геохимии, учения о месторождениях полезных ископаемых.

        Многие учёные России внесли вклады в развитие этой науки. Такие как: М.В. Ломоносов,    А. В. Гадолин,    Е. С. Федоров, Ю. В. Вульф и многие другие.

    Кристаллография и в настоящее время представляет огромный интерес и постоянно  добавляется, новыми специалистами.  
 
 

Глава 1. Оптическая индикатриса  кристаллов различных  сингоний 

     При изучении оптических свойств  кристаллов пользуются вспомогательной  пространственной фигурой, построенной  на показателях преломления и  называемой оптической индикатрисой. Величина каждого радиуса – вектора индикатрисы выражает показатель преломления кристалла для тех световых волн, колебания которых совершаются в направлении данного вектора.

     Поместим мысленно внутри кристаллического  тела светящуюся точку S (рис. 1).     По некоторому направлению SN_м здесь будут одновременно распространяться две световые волны М₁ и М₂, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорости распространения этих волн n₁ и n₂ различны. В связи с этим будут различны и показатели преломления волн n₁ и n₂, представляющие собой, как известно, обратные величины по отношению к скоростям.

     Пусть волна М₁ идет быстрее (n₁>n₂); тем самым ее показатель преломления (n₁) будет меньше соответственного показателя преломления (n₂) для волны М₂(n₁<   n₂).

     Приняв точку S за исходную, проведем через нее прямые А₁А₁ и В₂В₂ параллельно колебаниям волн М₁ и М₂ (А₁А₁ параллельна колебаниям волны М₁; В₂В₂ параллельна колебаниям волны М₂). Прямые А₁А₁ и В₂В₂ взаимно перпендикулярны.

     На прямых А₁А₁ и В₂В₂ по обе стороны от S отложим в одном и том же произвольном масштабе величины показателей преломления n₁ и n₂ (n₁ откладываем по А₁А₁, n₂ – по В₂В₂).

     В результате получаем четыре  точки А₁, А₁, В₂, В₂.

     Рассматривая волны, идущие по  другим направлениям, мы будем получать новые четырехточия. 

Рис. 1. Построение оптической индикатрисы

     Теоретически доказано, что поверхность, обнимающая все указанные четырехточия, представляет собой либо трехосный эллипсоид, либо эллипсоид вращения, либо шар. Эта поверхность и носит название оптической индикатрисы. Оптическая индикатриса дает возможность определить для волн любого заданного направления ориентировку колебаний и величины соответственных показателей преломления. Величины этих осей дают в определенном масштабе показатели преломления. В частном случае сечение индикатрисы является окружностью. Это показывает, что световые волны, распространяющиеся в заданном направлении, не испытывают двупреломления.

     Рассмотрим отдельно все три  указанные  типа оптической индикатрисы.

Высшая  категория. Кристаллы кубической сингонии являются, как уже указывалось выше, оптически изотропными. Лучи здесь идут с одинаковой скоростью и, следовательно, обладают одним показателем преломления. Соответственно этому, оптическая индикатриса в кристаллах кубической сингонии – шар.

     Охарактеризовать шаровую индикатрису  можно лишь при помощи одной  величины – радиуса шара. Радиус  шара выражает показатель преломления.  Следовательно, характеристика оптической  индикатрисы кристаллов кубической сингонии заключается   лишь в одной  константе – показателе преломления n.

Средняя категория. Кристаллам средних сингоний (гексагональным, тетрагональным и тригональным) соответствует оптическая индикатриса в виде эллипсоида вращения.

     Поверхность эллипсоида вращения  можно получить, путем вращения  эллипса вокруг одной из его  осей (рис. 2). При этом получаются  два рода эллипсоидов вращения (рис. 3).

Рис. 2.Оптическая индикатриса кристалла низшей категории (трехосный эллипсоид)

Рис. 3.Оптические индикатрисы для 

кристаллов  средних сингоний

а –  положительного; б - отрицательного

     Первые (вытянутые) эллипсоиды соответствуют  оптически положительным, а вторые (сплющенные) – оптически отрицательным  кристаллам.

     В эллипсоидах вращения круговые  сечения располагаются перпендикулярно  оси вращения. Все другие их  сечения  эллипсами.

     Кристаллы средних сингоний обладают  лишь одним единичным направлением, совпадающим с единственной осью  высшего наименования. В свою очередь, соответствующая им оптическая индикатриса, имеющая форму эллипсоида вращения, также обладает лишь одним единичным направлением, совмещенным с осью вращения эллипсоида.

 Единичное  направление кристалла должно  совпасть с единичным направлением оптической индикатрисы.

     В эллипсоиде вращения сечение,  перпендикулярное оси вращения, представляет окружность. Тем самым  круговое сечение оптической  индикатрисы располагается перпендикулярно  оси симметрии высшего наименования.

     В гексагональном кристалле, оптическая индикатриса ориентирована в нем так, что ее ось вращения совмещена с шестерной осью симметрии (рис. 4). 
 

Рис. 4. Ориентировка оптической индикатрисы

 в  гексагональном кристалле

Круговые  сечения эллипсоидов указывают на то, что перпендикулярно им световые волны идут, не раздваиваясь и не поляризуясь (любой радиус здесь представляет возможное направление колебаний).  Значит вдоль оси вращения оптической индикатрисы  идет один неполяризованный (не раздвоенный луч).

     Направление, по которому свет не испытывает двупреломления, называется оптической осью.     Кристаллы средних сингоний имеют одну оптическую ось, т.е. являются оптически одноосными.

     Для характеристики оптической  индикатрисы таких кристаллов  достаточно ограничиться двумя величинами, а именно: половиной величины оси вращения эллипсоида и радиусом его кругового сечения.

     Отмеченные величины выражают  наибольший и наименьший показатели  преломления кристалла – n_g и n_p и численно равные им полуоси оптической индикатрисы Ng и Np.

     В вытянутом (положительном) эллипсоиде  вращения с осью вращения (главная  ось симметрии кристалла) совпадает  наибольшая ось индикатрисы (Ng). Наименьшая ось (Np) соответствует здесь радиусу кругового сечения.

   И  наоборот, в сплющенном (отрицательном) эллипсоиде вращения главная ось симметрии кристалла (ось вращения) отвечает наименьшей оси (Np), а наибольшая ось индикатрисы (Ng) соответствует радиусу кругового сечения (рис. 3).

     Низшая категория. Оптические индикатрисы кристаллов низших сингоний (ромбических, моноклинных и триклинных) характеризуются эллипсоидами с тремя неравными взаимно перпендикулярными осями.

     Эти три оси по величине  отвечают трем разным показателям  преломления - n_g>n_m>n_p и обозначаются Ng, Nm, Np (рис. 2).      Каждая ось является единичным направлением и соответствует двойной оси симметрии эллипсоида, а плоскость, перпендикулярная оси – плоскости его симметрии.

     Трехосный эллипсоид обладает  двумя круговыми сечениями, проходящими  через Nm.    Перпендикулярно каждому круговому сечению проходит оптическая ось.

     Значит кристаллы низших сингоний  обладают двумя оптическими осями  (ОА₁ и ОА₂), т. е. являются оптически двуосными. Обе оптические оси лежат в плоскости плоскость оптических осей (Ng Np). Когда биссектриса острого угла между оптическими осями совпадает с Ng, имеем оптически положительный кристалл, а при совпадении с Np, кристалл оптически отрицателен.

     Рассмотрим ориентировку оптической  индикатрисы в кристаллах низших  сингоний. В трехосном эллипсоиде три неравные оси его (Ng, Nm, Np) являются тремя единичными направлениями эллипсоида.

     С этими тремя единичными направлениями  кристалла и должны совместиться  три единичных направления (три  оси) оптической индикатрисы (рис. 5).

    В ромбических кристаллах также всегда присутствуют три взаимно перпендикулярные единичные направления, совпадающие или с тремя двойными осями симметрии или с нормалями к плоскостям симметрии.

Рис. 5. Ориентировка оптической

 индикатрисы в ромбическом кристалле

     Однако по внешнему виду ромбического  кристалла нельзя определить, какая  именно ось индикатрисы (Ng, Nm, Np) совпадает с тем или иным его единичным направлением.

     Возьмем для примера кристалл  в форме кирпичика или спичечной коробки. Здесь бросаются в глаза три серии разных по длине и взаимно перпендикулярных ребер. Тем не менее не следует предполагать, что параллельно наиболее длинным ребрам должна обязательно проходить наибольшая ось индикатрисы Ng. Также нельзя связывать средние и малые ребра кристалла с осями Nm и Np.

     Точное решение вопроса об  ориентировке оптической индикатрисы  требует применения уже кристаллооптических   методов исследования.

     В кристаллах моноклинной сингонии  всегда имеем одно характерное кристаллографическое направление, совпадающее с двойной осью (L₂) или нормалью к плоскости симметрии (^Р) и совмещенное со второй кристаллографической осью. Это направление является единичным, и с ним всегда совпадает одна из трех осей (одно из трех направлений) оптической индикатрисы (Ng или Nm, или Np).

     Две другие оси эллипсоида  лежат в плоскости, либо перпендикулярной  двойной оси (L₂), либо параллельной плоскости симметрии. При этом они образуют некоторые углы с ребрами кристалла.

     Величины таких улов являются характерными для каждого определенного вещества, кристаллизующегося в моноклинной сингонии. Вместе с тем для разных веществ они будут различными. 

   В кристаллах триклинной сингонии  нет осей и плоскостей симметрии.  Все направления единичны.   Вследствие этого оптическая индикатриса может ориентироваться в каждом веществе, кристаллизующемся в триклинной сингонии, по-разному. Здесь важное значение имеют углы, образованные осями индикатрисы с ребрами кристалла.

     Итак, при определении оптических свойств кристаллов низших сингоний необходимо прежде всего измерить три показателя преломления – n_g, n_m, n_p, являющиеся наиболее характерными оптическими константами, и определить, с какими кристаллографическими направлениями совпадают соответствующие им оси индикатрисы.

     Для моноклинных и триклинных  кристаллов, как указывалось, характерны  еще углы между осями индикатрисы  и ребрами кристаллов.

     Кроме перечисленных оптических  констант, необходимо также определять  оптический знак кристалла и  измерять острый угол между обеими оптическими осями. Этот угол обозначается 2V.

     Если почему-либо показатели преломления  непосредственно не измеряются, важное значение приобретает  так называемая величина (сила) двупреломления (n_g(наибольший показатель преломления) – n_p (наименьший показатель преломления)). Эта константа посредством кристаллооптических методов может быть определена и в тех случаях, когда величины показателей преломления n_g и n_p остаются неизвестными.

     Следует иметь в виду, что для  лучей различного цвета (т. е. лучей, обладающих различными длинами волн) форма эллипсоида оптической индикатрисы в одном и том же кристалле может существенно меняться. В связи с этим изменяются и величины оптических констант. Это явление носит название дисперсии элементов оптической индикатрисы.

     В кристаллах моноклинной и  триклинной сингоний явление  дисперсии отличается особенно  сложным характером. В моноклинных  кристаллах, как упоминалось, одна  из осей индикатрисы всегда  совпадает с L₂ или с нормалью к Р, а две другие оси располагаются в перпендикулярной ей плоскости. В связи с тем, что в этой плоскости все направления единичны, обе оси индикатрисы для лучей различных длин волн могут занимать различное положение. В кристаллах триклинной сингонии все направления единичны, все три оси индикатрисы для лучей разных длин волн могут быть по-разному ориентированы в кристалле. 

ГЛАВА 2. Устройство микроскопа и его поверки

2.1.УСТРОЙСТВО  МИКРОСКОПА 

     Исследование оптических свойств минералов производятся при помощи поляризационного микроскопа. Наиболее распространенными являются отечественные микроскопы моделей МП и МИН.

     Основными частями поляризационного  микроскопа являются штатив, предметный  столик, тубус, осветительное устройство  и поляризационная система. Общий вид микроскопа представлен на рис. 7.

     Штатив имеет подковообразное  основание и вертикальный кронштейн,  с которым при помощи шарнира  и закрепляющего винта (11) соединена  станина, или тубусодержатель  (12). Благодаря такому устройству  тубусу можно придавать любое наклонное положение при горизонтальном положении основания.

     Предметный столик (6) микроскопа  прикреплен к нижней части  станины. Центральную часть столика  с отверстием по середине можно  вынуть выдавливанием ее снизу  после опускания осветительного устройства и поднятия тубуса. На предметном столике имеются отверстия с резьбой для привинчивания специальных приборов (федоровский столик, ИСА, препаратоводитель) и отверстия без резьбы для прикрепления клемм, которые держат шлиф. Предметный столик имеет лимб, разделенный на 360°, и два нониуса, по которым можно брать отсчеты с точностью до 0,1°. Однако в обычной петрографической работе достаточна точность отсчета до 1°. Предметный столик должен свободно вращаться. С левой стороны его расположен стопорный винт (13), позволяющий закрепить столик в нужном положении.

     Тубус микроскопа расположен  в верхней части станины. При  помощи особого кремальерного  устройства его можно приближать  или удалять относительно предметного  столика. Приближение тубуса к столику микроскопа (опускание) осуществляется вращением кремальерного винта «от себя», а удаление (поднятие) – вращением винта «к себе».

      В нижней части тубуса находятся  щипцы, которые держат объектив (5). Чтобы вставить объектив, необходимо левой рукой нажать на щипцы, а правой рукой надеть объектив и повернуть его против часовой стрелки на 90°. Затем щипцы отпускают и проверяют, захватили ли они наклонный шпенек, имеющийся на обойме каждого объектива.

     Объективы вместе с окуляром  хранятся в специальной коробке. К микроскопам МП приложены объективы 3´, 8´, 20´, 40´ и 60´; у каждого из них есть центрирующие обоймы.

     Выше щипцов в тубусе имеется  сквозная прорезь, расположенная  под углом 45° к плоскости симметрии микроскопа, в которую в процессе работы вставляют компенсаторы.

     Над прорезью в тубусе размещается  анализатор (4), который вводится  слева до упора. В верхней  части тубуса, параллельно анализатору,  расположена линза Бертрана (2), необходимая  только при получении коноскопии. Линза имеет диафрагму, может быть центрирована и фокусирована специальной кремальерой (1).

     Сверху в тубус вставляется  окуляр (15). К микроскопам МП прилагаются  окуляры 5´, 8´, 12,5´ и 17´, имеющие крест нитей, и окуляр 6´, в который можно вложить сетчатый или линейный микрометр. Окуляр с крестом нитей вставляют так, чтобы одна из нитей была параллельна плоскости симметрии микроскопа, а другая перпендикулярна ей.

     Осветительное устройство (9) поляризационного  микроскопа расположено под предметным  столиком и состоит из зеркала и двух конденсоров. Зеркало двойное – плоское и вогнутое. Обычно пользуются вогнутым зеркалом, а при малых увеличениях и широком, удаленном от микроскопа источнике света – плоским.

     Нижний конденсатор превращает  пучок света, отраженного от зеркала, в несколько сходящийся и усиливает освещенность препарата. Над ним помещена ирисовая диафрагма, с помощью которой можно суживать отверстие конденсора и делать пучок света более параллельным. Второй конденсор – линза Лазо – употребляется при работе с большими увеличениями и главным образом для получения коноскопии. При необходимости линзу можно вводить специальным рычагом, расположенным под столиком.

     Осветительная система вместе  с поляризатором специальным  маховичком может быть опущена вниз и откинута влево. Обычно же она должна быть поднята до самого предметного столика.

     Поляризационная система микроскопа  представлена двумя николями. Нижний  николь – поляризатор (8) –  помещен под предметным столиком, ниже осветительных конденсоров и диафрагмы. Верхний - анализатор (4) – находится  в тубусе микроскопа между объективом и окуляром.

     Поляризатор можно повернуть  в обойме и закрепить специальным  винтом. Обычно поляризатор располагают  таким образом, чтобы направление  пропускаемых им колебаний было параллельно вертикальной нити окуляра (плоскости симметрии микроскопа).

     Анализатор, как правило, может  быть либо выведенным из тубуса, либо введенным в него. Направление  пропускаемых анализатором колебаний  должно быть перпендикулярно направлению колебаний, пропускаемых поляризатором. В некоторых микроскопах (например, МП-6) анализатор может быть повернут на определенный угол до 90°, но делается это только при специальных исследованиях. 

2.2. ОСНОВНЫЕ ПОВЕРКИ  МИКРОСКОПА

     Перед началом работы с поляризационным микроскопом необходимо установить его в рабочее положение – сделать поверки. Рекомендуется проводить их в такой последовательности.

1. Придают тубусу удобное для работы наклонное положение и зажимают закрепляющий винт. Проверив, выключены ли линзы Лазо и Бертрана, а также анализатор и открыта ли диафрагма, налаживают правильное освещение. Для этого вращением и наклонами вогнутого зеркала направляют световой пучок от источника света в микроскоп и добиваются равномерно яркого освещения поля зрения.
2. Прикрепляют шлиф к предметному столику, вставляют объектив и производят фокусировку. При фокусировке объективов со слабыми увеличениями (3´ или 8´) тубус опускают винтом макроподачи до появления изображения, а затем уточняют фокусировку  винтом микроподачи.

         Фокусировку объективов с сильными  увеличениями (40´,                                                  60´) во избежание опасности раздавить шлиф объективом осуществляют таким образом: осторожно, наблюдая сбоку, винтом макроподачи опускают тубус до соприкосновения объектива с покровным стеклом шлифа, а затем, подымая тубус (лучше микроподачей), улавливают изображение.

3. Проверяют центрировку объектива. Для этого передвижением шлифа по предметному столику ставят на центр креста нитей какую-либо маленькую заметную точку и вращают столик. Если объектив центрирован, то выбранная точка не сойдет с перекрестья нитей. При отсутствии центрировки точка сойдет с перекрестья и опишет в поле зрения окружность. Если центрировка объектива сильно нарушена или объектив неправильно зажат в щипцах, то выбранная точка может совсем уйти из поля зрения. Поэтому прежде чем начать центрировку, необходимо убедиться, что объектив вставлен правильно, т.е. что шпенек на его обойме вошел в прорезь щипцов.