晶体光学基础liucu.ppt

岩石学（含晶体光学）,任课教师：刘 翠 联系方式 2010.3-6,上课与考试,需要作好课前预习，课后复习,课堂要求：不迟到、不早退,期末考试=薄片鉴定考试笔答考试,考试成绩=实习报告期末考试,教 材,教材2本： 晶体光学与造岩矿物，林培英主编，北京：地质出版社，2005 岩石学，路凤香主编，北京：地质出版社，2002,实习指导书与实习报告, 晶体光学与造岩矿物 实习指导书在教材后部分，实习指导书到书店购买； 岩石学 实习指导书和实习报告在上课时到书店购买。,晶体光学与造岩矿物,第一部分,晶体光学的参考书,1. 成都地质学院，李德惠，晶体光学，地质出版社，1984 2. 曾广策等主编，晶体光学及光性矿物学. 武汉：中国地质大学出版社，2006 4. Nesse W. D. Introduction to Optical Mineralogy, Oxford Univ. Press, 2004,Nesse W. D. Introduction to Optical Mineralogy, Oxford Univ. Press, 2004,引言: 什么是晶体光学 为什么学习晶体光学,1. 晶体光学(透明矿物晶体光学)是研究可见光,尤其是可见偏光通过透明矿物晶体所产生的折射、双折射、偏振、干涉、吸收、色散等一系列光学现象的基础学科. 使用的主要仪器有透射偏光显微镜、偏光仪等。,透明矿物,不透明矿物,2. 绝大多数造岩矿物、宝玉石矿物在薄片中是透明的，晶体光学是鉴定和研究岩石（宝玉石）显微结构的基本技术。,3. 晶体光学和造岩矿物是岩石学、矿物学、宝玉石学和材料科学等学科研究的基础课程之一。,第一章 晶体光学基础 第二章 光率体与光性方位 第三章 偏光显微镜 第四章 单偏光下晶体光学性质 第五章 正交偏光下晶体光学性质 第六章 锥光下晶体光学性质 第七章 主要造岩矿物,晶体光学与造岩矿物内容,第一章 晶体光学基础,第一节 光的性质,光和无线电波一样都是电磁波， 电磁波是电磁振动（变化的电磁场）在空间的传播过程,光是电磁波（19世纪，麦克斯韦和赫兹）,第一节 光的性质,波长单位通常用纳米(nm)或埃( )，常用长度单位的换算关系为： 1 m (米) =103 mm (毫米) =106 m (微米) =109 nm (纳米) =1010 (埃),有关参数和公式: v = 3105 km/s （3108 m/s） (每秒30万公里)(真空） e=m c2 v = f 或 f = v / fHz，每秒振动次数, 单位 s-1 波长, 单位nm,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。 光波是横波的概念，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。 （光线）,第一节 光的性质,2. 电磁波是横波,电磁波有一个广阔的区段，波长范围: 1015-10-5nm 按波长大小，划分为: 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X 射线 射线, 等,3. 电磁波波谱,第一节 光的性质,能量 增大,频率 增大,可见光是电磁波谱中很窄的一段，它是正常人的眼睛能见到的一段电磁波它的波长范围大致为390770nm,波长增大,单色光与白光,频率（ f ）：某一频率的光波其频率在不同介质中是不变的。 波长（）：某一波长的光波其波长在不同介质中是不同的。 (根据公式v = f得出） 决定光的颜色是频率而不是波长 晶体光学中的光波波长是指真空或空气中的波长,（单色光：频率为定值或窄小的范围或波长为定值或窄小范围的光：如钠光灯， =589.3nm 白光：是7种基本单色光混合的光，平均波长：580nm）,第二节 自然光和偏光,截面为圆，半径为振幅,根据光波振动的特点，可以把光分为自然光和偏光。 1. 自然光：指直接由太阳或光源发出的、在垂直于光波传播方向的平面内作全方向、等振幅振动的光。,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。 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。,2. 偏光,偏光化作用将自然光转变为偏光的作用。,晶体光学是岩石观察的基础： 偏光显微镜岩石矿物薄片观察偏光下的特征 摄影方面： 过滤杂光滤光片，只让某一方向的光通过就是偏光化作用 过滤杂色滤色片，只让 某种颜色光通过，如蓝色，大海和天空,3. 偏光化作用,尼科尔棱镜-冰洲石 偏光片,第三节 光的反射与折射,一、光的直线传播定律 光在同一种物质中传播的路线是呈直线的，称为光的直线传播定律。 例如：阳光照进房里、夜间手电筒、激光束、激光笔等的传播。,二、光的反射及反射定律,反射(Reflection)：光从一种介质射入另一种介质时，在光滑界面上，如果部分光仍回到原来的介质中，这种现象称为光的反射。,反射定律 反射光线位于入射光线与界面的法线所决定的平面内; 入射线和反射线分别位于法线的两侧； 3. 反射角与入射角相等。,反射光在地学中的应用,反射现象与反射率是非常重要的,特别是在金属矿物与宝玉石行业，非常有用。 矿相学：反光显微镜, 用于不透明的金属矿物观察, 例如方铅矿、闪锌矿等。,不透明的金属矿物反射图像,不透明矿物反射率很大；以反射为主；透明矿物反之,三、光的折射及折射定律,光线从一种介质进入另一种介质，在界面处传播方向便会发生改变，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).,法线 入射角 i 折射角 r,1、定义：,2、折射定律,（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.,3、折射率(Index of refraction),（1) 相对折射率 NB-A= V AV B=sin i /sin r NB-A为常数，仅与A，B介质性质有关 （2) 折射率 定义：光在真空与其他物质中传播速度之比称为该物质的折射率N： N=V 真空V 物质=sin i /sin r N真空=1， N空气=1.00029 自然界中N=1,引申：光波在介质中的传播速度与介质的折射率成反比；当光线由介质A进入介质B时，有VA/VB=NB/NA,四、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,四、折射率与临界角的关系及其应用,NB sin i=NA sin r 若i = , r=90 NB sin =NA sin 90 = NA 所以： sin NA NB 若A为空气， NA =1.00029约等于1 sin 1 NB 则任何一个已知N的物质,均可以求出 例如：宝石加工， 金刚石 2420,i = , r=90 i , 全反射,五、光的色散（Dispersion of Sunlight）,白光分解成七色光称色散,也称火彩波长较长的红光折射率较小，波长较短的紫光的折射率较大,自然光在三棱镜中的传播,自然光在三棱镜中的传播分解成七色光,对于不同波长的光波，介质具有不同的折射率。通常所称的折射率是以黄色光作为光源时物质的折射率。,为什么研究折射率？,折射率值的大小是与晶体的化学成分和内部结构密切相关的，不同矿物的折射率值不同，因此折射率是鉴定矿物的重要光学常数之一。,岩石薄片的许多鉴定特征, 如糙面突起贝克线 等都源自于基本的折射率特征。,利用偏光显微镜观察N,可以鉴定矿物的不同种类。,要点,折射、折射率、临界角的相互关系及其意义，折射率是用光学方法鉴定透明矿物最可靠的参数；也是宝石加工的首选参数。,第四节 光在均质体与非均质体中的传播,均质体包括等轴晶系矿物(如尖晶石、石榴石、萤石等)和非晶质体(如火山玻璃、树胶等)，它们的光学性质在各方向相同，称为光性均质体。 非均质体包括中级晶族和低级晶族的矿物(如石英、橄榄石、辉石、角闪石、长石等)，其光学性质随方向而变化，称为光性非均质体。,均质体 等轴晶系矿物（石榴石） 透明物质(晶体) 非晶质体（火山玻璃） 非均质体中、低级晶族矿物,光性均质体,光性非均质体,一、光性均质体(各向同性介质),定义 均质体光波入射晶体后，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。 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 3. 对于一种均质体,其N是唯一的. 4. 物质举例:,常见造岩物质中的均质体,石榴子石 白榴石 萤石 尖晶石 火山玻璃 蛋白石 石盐,常见造岩物质中的均质体,石榴子石 白榴石 萤石 尖晶石 火山玻璃 蛋白石 石盐,萤石,常见造岩物质中的均质体,石榴子石 白榴石 萤石 尖晶石 火山玻璃 蛋白石 石盐,八面体 , 通常呈红色(含Cr),绿色(含Fe3+)或褐黑色(含Fe2+和Fe3+)；玻璃光泽。无解理；偶有平行(111)裂开。硬度8。相对密度3.55。,尖晶石 (Spinel)MgAl2O4,二、光性非均质体(各向异性介质),1.定义：光波射入物质时，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。 非均质体的折射率不只是一个，而是两个或三个。,2.双折射 当光波射入非均质体后，除特殊方向以外一般都将分解成两束折射率不等、振动方向互相垂直、速度不等的偏光，这种现象称为双折射现象。 一切具有双折射特征的介质均称为光性非均质体，双折射是光波通过非均质体的普遍特征。,二、光性非均质体(各向异性介质),举例：冰洲石的双折射现象,双折射现象可通过冰洲石来做实验，如果将冰洲石（CaCO3）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。,光轴若某一特殊方向，如中级晶族的C轴方向，e-o重合，则此方向就是光轴方向。中级晶族只有1个光轴方向，低级晶族有2个光轴方向。,举例：冰洲石的双折射现象,3. 双折射率（双折率）,光波射入一轴晶矿物（非均质矿物）时，发生双折射并分解形成两种偏光: 常 光o ordinary, 方向垂直C轴, 各个方向速度和N都完全相同折射率为No 非常光e extraordinary,平行C轴与传播方向构成的平面, 且振动方向不同,速度和N不同折射率为Ne 双折射率两种偏光的折射率值之差，称为双折射率, 表示为N。 如：冰洲石,No=1.658, Ne=1.486， N NoNe0.172,4. 光性与晶族的关系,三方晶系冰洲石，水晶 中级晶族（一轴晶） 四方晶系锆石 六方晶系绿柱石，磷灰石 斜方晶系Ol 低级晶族（二轴晶） 单斜晶系透辉石 三斜晶系Pl 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。,第二章 光率体与光性方位,第一节 光率体,一、光率体定义 光率体是表示光波在晶体中传播时，光波振动方向与相应折射率值之间关系的一种光性指示体。 光率体是表示光波在晶体中各振动方向上折射率和双折率变化规律的一个立体几何图形。,光率体的制作,设想自晶体的中心起，沿光波各个振动方向，以线段的方向表示光波的振动方向，以线段的长短按比例表示折射率值的大小，然后将各线段的端点连接起来构成一立体形态，称之为光率体。,光率体是虚幻的,不要指望从超新星爆炸的碎片中找到光率体的踪影。,光率体是实实在在的,虽然我们看不见它，却能感觉到、用科学的方法测定出来,光率体概