1-2晶体光学基础理论

晶体光学及光性矿物学CrystalOptics OpticalMineralogy 64学时 任课教师 佘振兵 地球科学学院 联系方式 zbsher 67884734 教材晶体光学及光性矿物学 曾广策等编著 中国地质大学出版社 2006 O734 Z1参考书晶体光学与造岩矿物 林培英主编 地质出版社 2005 P585 1 L5晶体光学原理 陈芸菁编著 地质出版社 1987 O734 Ch1光性矿物学 王德滋 谢磊编著 科学出版社 2008 P585 1 W1 2光性矿物学教程 杨承运编 地质出版社 1989 P585 1 Y1Opticalcrystallography Wahlstrom Wiley 1979 O734 W137Opticalmineralogy Kerr McGraw Hill 1977 P585 1 K41 讲课内容安排CourseSyllabus晶体光学基础理论 1 晶体光学基础理论 2 单偏光镜下的晶体光性特征 1 单偏光镜下的晶体光性特征 2 正交偏光镜下的晶体光性特征 1 正交偏光镜下的晶体光性特征 2 锥光镜下的晶体光性特征宝石矿物的晶体光学特征 系统鉴定光性矿物学基础 每次课2学时 实验课安排 共23次课 PracticalClass 晶体光学部分偏光显微镜的构造与使用 2课时解理 多色性 2课时突起等级 贝克线 4课时消光 补色法则 干涉色级序 4课时消光类型 消光角 延性 4课时一轴晶干涉图 二轴晶干涉图 4课时寻找定向切面 测一轴晶矿物多色性公式 4课时 光性矿物学部分 系统鉴定 普通角闪石 2课时橄榄石及其蚀变矿物 2课时辉石族矿物 4课时云母族矿物 4课时斜长石成分鉴定法 4课时钾长石 石英 4课时方解石 萤石 2课时 实验课安排 共23次课 实验课分班 每班不超过30人 成绩评定方法 理论部分 晶体光学 闭卷考试 占总分50 实践部分 光性矿物学 平时实验课成绩 占总分50 晶体光学 研究可见光通过透明矿物晶体时的一些光学现象及其变化规律的学科 研究目的 根据光学特征鉴定矿物种属 鉴定宝石 鉴定矿物种属有没有其它方法 彼此之间在原理上有哪些差异 鉴定矿物的其他方法 形态 力学性质 如解理 裂开 密度 磁性颜色 主要是吸收色 粉末色 条痕色 反光强度 荧光效应等化学成分 晶体光学 强调可见光光线在穿过透明矿物之后产生的光学效应 借助光学效应之间的差别来鉴别矿物种属 第1讲晶体光学基础原理 上 光的波动性可见光 单色光与白光 自然光与偏光光的折射与折射率双折射和双折射率光的全反射和全反射临界角光性均质体与光性非均质体 一 光学基础知识 1 光的波动性电磁波是一种横波 因此光也是横波 振动方向与传播方向相互垂直光波具有一切电磁波属性 反射 折射 干涉 偏振 色散 衍射特征 F V 图中波自左向右以速度V传播波长 wavelength 相邻两波峰之间的距离频率F frequency 每秒钟内波峰通过某一点处的次数振幅A amplitude 波的高度 波的相关术语 可见光 正常的人眼能感觉到的电磁波 单色光 频率为某一定值或在某一窄小范围的可见光 白光 是指由七种基本单色光混合的光 如日光 2 可见光 单色光 白光 可见光在电磁波谱中的位置 波长nm 人眼最为敏感的光是黄绿光 即附近 555nm 自然光 在垂直光波传播方向的平面内 各个方向上都有等振幅振动的光波偏光 仅在垂直光波传播方向的某一个固定方向上振动的光波 偏光化作用 Polarization 使自然光转变为偏光的作用 反射 折射 双折射 选择性吸收可使自然光转变为偏振光 自然光 光通过下偏光镜时 只有东西方向振动的光才能通过 3 光的折射与折射率Refraction refractiveindex 生活中的光折射 1 由光疏进入光密物质 折向光法线 反之 偏离光法线 2 N 折射介质对入射介质的相对折射率 若入射介质为真空 为绝对折射率 3 光在介质中的传播速度受微观结构 密度 质点类型 堆积的紧密程度等 的控制 因此折射率是反映介质成分和微观结构的重要参数 折射定律 Snell定律 N Sini Sinr Vi Vr 光波由光密介质进入光疏介质 当入射角增大到某一临界角 时 会产生全反射 据此原理 在已知Ni时 测出 值就能测出Nr 4 光的全反射和全反射临界角 据折射定律 N Vi Vr Sini Sinr Nr NiSinr Sini N若Sini N 则r 90 密 疏 双折射现象的发现 冰洲石下的双像1669年 丹麦科学家巴塞林那斯 E Bartholinus 透过冰洲石看书 发现每个字都变成了两个 10年后 荷兰物理学家惠更斯 ChristiaanHuygens 给出了解释 一束光进入冰洲石后分为两束 双折射 其中一束遵从折射定律 称为常光 O光 另外一束不遵从折射定律 称为非常光 e光 冰洲石越厚 两束光分得越开 5 双折射和双折射率Doublerefraction Birefringence 冰洲石下的绳子有两个像双折射 单折射 玻璃下的绳子只有一个像 当光线入射到矿物晶体之中时 一般都发生双折射现象 即形成两束折射光 一束为寻常光 o光 服从折射定律 沿各方向传播的o光速度相同 即各方向的折射率相同 另一束为异常光 e光 不服从折射定律 沿各方向传播的光速度不同 即各方向的折射率不同 光轴 opticalaxis OA 晶体内特殊的方向 当光线沿该方向入射时 不发生双折射 相关说明 1 o光与e光均为偏振光 二者传播方向 传播速度 折射率一般不同 o光 e光折射率之差为双折率 2 传播方向 o光始终在入射面 晶面法线与入射线所决定的平面 内传播 且在介质中的传播速度不受振动方向的影响 e光一般不在入射面内 传播速度随振动方向变化 晶面法线 晶面法线 o光 三线共面 e光 三线不共面 3 振动方向 o光振动方向与其主平面 光线和光轴所决定的平面 垂直 e光振动方向 其主平面 o光主平面 e光主平面 主平面 晶体内光线与光轴构成的平面 1 当光轴在入射面内时 o光和e光的振动方向垂直 两种特殊情况下o光与e光的振动方向 o光 e光 主截面 晶面法线与光轴构成的平面 入射面 入射光线与晶面法线构成的平面 o光的主平面 晶体内光线与光轴构成的平面 e光的主平面 晶体内光线与光轴构成的平面 重合 2 当光轴垂直入射面时 o光和e光振动方向垂直 光轴 o光 e光 o光主平面 e光主平面 o光的振动方向与晶体的光轴垂直 e光的振动方向与晶体的光轴共面 Wallaston棱镜 由两块光轴相互垂直的方解石 no ne 直角棱镜组成 具有起偏作用 分光作用 双折射应用实例 Wallaston棱镜工作原理 e O C O 方解石 光密 光疏 O光振动垂直于主平面 e光振动 主平面 光疏 光密 o光变e光e光变o光 平行振动 垂直振动 把方解石 ne 1 468 no 1 658 按长宽比 2 8的比例磨制 后沿晶体上某个面将晶体剖成两半 再以n 1 550的加拿大树胶粘合成原来形状 尼科耳棱镜 续上 方解石主截面 尼科耳棱镜工作原理 6 光性均质体与光性非均质体 光性均质体Opticalisotropicsubstance光性非均质体Opticalanisotropicsubstance 光性均质体指光学性质各个方向相同的物质 如玻璃质和等轴晶系的矿物 传播速率不因振动方向的不同而改变 任何方向振动的光波折射率相同自然光仍为自然光 偏振光仍为偏振光不发生双折射思考 是否会发生折射 光性非均质体 光学性质因方向而异的矿物 即除等轴晶系以外的所有其它晶系的矿物 传播速度 折射率随光波的振动方向而变 有一个或者两个光轴 一轴晶和二轴晶 中 低级晶族 除特殊方向外均要发生双折射 分解成两束振动方向不同 传播速度不同 折射率不等的偏光 晶体光学基础理论 1 小结 光的波动性 电磁波 横波可见光 390 770nm 单色光 白光 自然光 偏光白光可以是自然光 也可以是偏光自然光可以是白光 也可以是单色光偏光可以是白光 也可以是单色光光的折射 折射后发生了什么 V F 传播方向 光的全反射和全反射临界角 双折射 光透过多数矿物 哪些例外 分解为2束 O e 折射率 波速 传播方向不同 偏振光O光振动方向 主平面 e光振动方向 主平面双折率 abs No Ne 主截面 主平面 入射面 主轴面光的主平面 晶体中的光线与光轴所形成的平面晶体主截面 由光轴和晶体表面的法线所组成的平面入射面 晶面法线与入射线所决定的平面主轴面 主切面 包含2个主轴的切面光性均质体 光性非均质体 是否发生双折射 双折射与光传播方向改变的问题 常光 遵循折射定律 No SinI Sinr 非常光 不遵循折射定律 可用惠更斯作图法求出其传播方向注意 光波在非均质体中传播时 决定其传播速度及折射率大小的是光波在晶体中的振动方向 而不是传播方向 均质体 单折射 一个折射率 自然光进自然光出 偏振光进偏振光出 类玻璃质 玻璃 水 空气 树胶 蛋白石 等轴晶系 石榴石 萤石 尖晶石 金刚石 白榴石 一轴晶 2个主折射率 六方晶系 磷灰石 霞石 绿柱石 四方晶系 锆石 金红石 方柱石 三方晶系 石英 方解石 刚玉 电气石 二轴晶 3个主折射率 斜方晶系 橄榄石 紫苏辉石 单斜晶系 普通角闪石 透长石 三斜晶系 斜长石 硅灰石 非均质体 光从非光轴方向入射 产生双折射 分解成振动方向互相垂直的两束偏振光 晶体光学研究的对象 思考题 1 所有介质的折射率总是 1 为什么 2 垂直入射的光线如何折射 3 为什么右图中玻璃杯中的铅笔没有变成两根 第2讲晶体光学基础原理 下 光率体 表示光波在晶体中传播时 折射率值随光波振动方向变化规律的一种光性指示体 是光的振动方向 不是传播方向 决定了晶体光学性质 二 晶体光率体 Opticindicatrix 重要 光率体不是实际的物体 而是抽象模型 把矿物晶体的光学性质简化为一几何体 半径长度表示N的大小 1 均质体光率体Isotropicindicatrix 不同方向振动的光波N相等 为一圆球体只有一个折射率值N任何切面都是圆切面圆切面的半径 N 为什么关注光率体切面 2 一轴晶光率体Uniaxialindicatrix 形态 旋转椭球体 旋转轴与结晶轴c轴一致 c轴入射光波 在 c轴的平面内振动 折射率为No 不发生双折射 故c轴 OA c轴入射光波 分解为 和 c轴振动的两种偏光 折射率为Ne No Ne No 1 特征 2 光率体要素 有No和Ne两个主折射率 或光率体椭球半径 介于之间者为Ne Ne No 为最大双折射率有一个光轴 OA Ne C轴 No Ne OA Ne No 正光性如石英 Ne No 负光性如方解石 3 光性符号 Opticsign 的区分 4 主要切面及其意义 垂直OA切面 半径为No的圆切面 可测定No的颜色和折射率 轴性及光符 平行OA切面 半径为Ne No的椭圆 因含OA 又称光轴面 Opticaxialplane OAP 可测Ne No的折射率和颜色 矿物的最大双折射率 斜交OA切面 半径为Ne No的椭圆切面 可测No的折射率和颜色 当斜交角较小时 可用来确定光性符号 Ne No 椭圆的两半径方向决定两偏光振动方向长短代表折射率 注意 一轴晶光率体所有切面上都有No 为什么 垂直OA切面平行OA切面斜交OA切面 正光性负光性 连连看 1 2 3 4 5 3 二轴晶光率体Biaxialindicatrix 1 光率体形态 三轴 半径 不等的椭球体 三个椭圆半径分别为Ng Nm Np Ng Nm Np OA OA 2 光率体要素 三个主折射率 Ng Ng Nm Np Np两个OA光轴角 2V OA锐夹角Bxa OA锐角平分线 Ng或Np Bxo 钝角平分线光轴面 OAP 包含两个OA的切面 Ng Bxa NpBxo Nm 正光性 Ng Bxa 负光性 Ng Bxo 3 光性正负之分 近似公式 Ng Nm Nm Np 近似公式 Ng Nm Nm Np 4 主要切面及意义a 切面 半径为Nm的圆切面 可测 m的颜色和折射率 锥光下可测轴性和光符 2V大小 切面有几个 b OAP切面 NgNp面 光波沿Nm轴入射发生双折射 为椭圆 长短半径为Ng和Np 双折射率 Ng Np 为二轴晶矿物最大双折率 Nm c Bxa的切面 Ng轴的切面 NmNp面 为椭圆切面 长短半径为Nm Np 双折射率 Bxa的切面 Np轴的切面 NmNg面 为椭圆切面 长短半径为Ng 和Nm 双折射率 d Bxo的切面 Np轴的切面 NmNg面 为椭圆切面 长短半径为Ng和Nm 双折射率 Bxo的切面 Ng轴的切面 NmNp面 椭圆切面 长短半径为Nm和Np 双折射率 e 斜交切面 不 OA和主轴 有无数个 均为椭圆切面 可分为 任意斜交切面 椭圆的长短半径以Ng 和Np 表示 Ng Ng Nm Np Np 双折射率 Ng Np 半任意斜交切面 又称 主轴面的斜交切面 即 NgNp NgNm NmNp面的斜交切面 切面椭圆长短半径中 总有一个半径是主轴 Ng Nm Np 另一个是Ng 或Np 小结光率体定义 表示光波在晶体中传播时 其振动方向与相应折射率值之间关系的光性指示体 均质体为圆球体 一轴晶为旋转椭球体 二轴晶为三轴椭球体 1 形状从简单到复杂 切面 光率体要素也从简单到复杂 2 一轴晶为二轴晶2V 0时的特殊情况 3 均质体也可以作为一轴晶Ne No的特殊情况 4 二轴正光性 当Nm Np时变为一轴 光性 二轴负光性 当Nm Ng时变为一轴 光性 Z 三 光性方位 Opticorientation 光性方位 光率体主轴与晶体结晶轴间的关系 1 均质体的光性方位光率体为圆球 无方位可言 2 中级晶族 一轴晶 的光性方位光率体为旋转椭球体 旋转轴为Ne 高次对称轴 C轴 OA 一轴晶正光性矿物的光性方位 一轴晶负光性矿物的光性方位 石英的光性方位 方解石的光性方位 1 斜方晶系 orthorhombicsystem 光性方位光率体三主轴与晶