第一章-晶体光学基础 1

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

17、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，光波平行Z轴振动时的折射率，总是小于垂直Z轴振动时的折射率，即NeNo。,这种特征的光率体为一轴晶负光性光率体，相应的矿物称一轴晶负光性矿物。,28,3、一轴晶光率体小节,d一轴晶光率体是旋转椭球体，正光性雪茄型，负光性铁饼型。 d无论是正光性或负光性，其旋转轴（直立轴）都是Ne，水平轴为No。 d Ne和No代表一轴晶矿物折射率的最大与最小值，称主折射率。主折射率Ne和No的相对大小决定一轴晶矿物的光性正负。,d当NeNo时，其光性为正，当NeNo时，其光性为负（图9） 。 d Ne和No的差值为一轴晶矿物的最大

18、双折率。,29,一轴晶光率体的主要切面,一轴晶光率体的主要切面有三种。 （1）垂直光轴的切面（图101）圆切面 半径等于No，光波不发生双折射，也不改变振动方向，折射率为No，双折率等于零。只有唯一一个圆切面。 （2）平行光轴的切面（图10-2）椭圆切面 长、短半径为No和Ne（正光性：长Ne，短No；负光性：长No，短Ne）。光波发生双折射、分解成两种偏光。其分别平行椭圆长短半径，折射率分别为Ne与No。双折率为NeNo之差，一轴晶的最大双折率，是一轴晶光率体的主切面。 （3）斜交光轴的切面（图103）椭圆切面 长、短半径分别为No与Ne，发生双折射、分解成两种偏光。其方向分别平行长短半径，

19、折射率分别为No与Ne。双折率为NoNe之差，其大小介于零与最大双折率之间。在一轴晶光率体任一斜交光轴的椭圆切面中始终有一个是No。如为正光性，短半径为No；如为负光性，长半径为No。,30,三、二轴晶光率体,低级晶族（斜方、单斜、三斜晶等）属于二轴晶矿物。这类矿物晶体的三个结晶轴单位不相等（abc），表明它们三度空间方向的不均一性。 实验证明，这类矿物都具有大、中、小三个主折射率值。当光波沿其它方向振动时，相应的折射率值递变于Ng、Nm、Np之间，一般以符号Ng和Np表示，它们与Ng、Nm、Np的相对大小关系是：NgNgNmNpNp。,显然，二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体（图11D）。

20、下面以斜方晶系矿物镁橄榄石为例说明二轴光率体的构成。,31,d光波沿镁橄榄石Z晶轴方向入晶体时，发生双折射分解形成两种偏光。其一平行X晶轴，折射率1.715；另一种平行Y晶轴，折射率1.651。为长短半径构成垂直入射光波（即垂直Z晶轴）的椭圆切面（图11A）。 d 光波沿镁橄榄石X晶轴方向射入晶体时，发生双折射分解成两种偏光。其一平行Y晶轴，折射率1.651；另一种平行Z晶轴，折射率值1.680。同样的方法构成垂直入射光波（垂直X晶轴）的椭圆切面（图11B）。 d 当光波沿镁橄榄石Y晶轴方向射入晶体时，发生双折射分解形成两种偏光。其一平行X晶轴，折射率值1.715；另一种偏光振动方向Z晶轴，相

21、应折射率1.680。构成垂直Y晶轴的椭圆切面（图11C）。 镁橄榄石三个主切面上的折射率值可以看出，有大（1.715）、中（1.680）小（1.651）三个主折射率值，振动方向分别平行X、Z、Y结晶轴。实验证明，其它二轴晶矿物都有大、中、小三个主折射率值分别与互相垂直的三个振动方向相当。,镁橄榄石光率体,32,二轴晶光率体有关光学名称,光学主轴（简称主轴）： 二轴晶光率体中，有三个互相垂直的光学方向，即Ng轴、Nm轴和Np轴。 主轴面（主切面）：包括两个主轴的切面，有三个主轴面即 NgNp NgNm NmNp。,圆切面和光轴： 二轴晶光率体有两个共轭的半径为Nm的圆切面（Ng轴与Np轴之间）（

22、图12）。光波垂直这两个圆切面入射时，不发生双折射，这两个方向就是光轴方向，以符号“OA”表示。通过光率体中心，只能截出两个圆切面，即只有两个光轴，故称二轴晶。,33,光轴面： 包括两个光轴的面称光轴面（与主轴面NgNp面一致），以符号“Ap”表示。通过光率体中心而垂直光轴面的方向称光学法线（与主轴Nm轴一致）。 光轴角： 两个光轴之间所夹的锐角称光轴角，以符号“2V”表示。两个光轴之间锐角的平分线称锐角等分线，以符号“Bxa”表示；两个光轴之间钝角的平分线称钝角等分线，以符号“Bxo”表示。,二轴晶矿物的光性符号的确定。当NgNmNmNp时，为正光性。当NgNmNmNp时，为负光性。 也可以

23、用：Bxa=Ng时，为正光性；Bxa=Np轴时，为负光性。,34,二轴晶光率体的主要切面,（1）垂直光轴的切面（图141）：圆切面，半径Nm。光波垂直这种切面（沿光轴）入射时，不发生双折射，也不改变入射光波的振动方向。折射率Nm，双折率等于零。 （2）平行光轴面的切面（图142）：椭圆切面（相当于NgNp），长短半径分别Ng与Np。光波垂直这种切面入射（即沿Nm入射时），发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向分别平行Ng轴与Np轴；折射率分别Ng与Np。双折率Ng-Np，是二轴晶矿物的最大双折率。 （3）垂直Bxa的切面（图143、4）：椭圆切面。正光性相当于主轴面NmNp；负光性相当于主轴

24、面NgNm。光波垂直这种切面入射时（即沿Bxa方向），发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向分别平行Nm轴与Np轴；折射率分别等于Nm与Np或Nm与Ng轴。双折率等于Nm-Np或Ng-Nm，其大小介于零与最大值之间。,35,（4）垂直Bxo的切面（图145、6）：椭圆切面。正光性相当于主轴面NgNm，负光性晶体相当于主轴面NmNp。光波垂直这种切面入射（即沿Bxo方向）时，发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向分别平行Nm与Ng轴或Nm与Np轴；折射率分别Ng与Nm或Np与Nm。双折率等于NgNm或NmNp，其大小介于零与最大值之间。但无论光性是正或是负，垂直Bxa切面的双折率总是小于垂直

25、Bxo切面的双折率。 正光性晶体Ng、Nm、Np的相对大小是： NgNm NmNp 等于Bxo切面的双折率 等于Bxa切面的双折率 负光性晶体Ng、Nm、Np的相对大小是： NgNm NmNp 等于Bxa切面的双折率 等于Bxo切面的双折率 以上平行光轴面、垂直Bxa及垂直Bxo的切面都相当于二轴晶光率体的主轴面，即属于垂直主轴的切面。,36,（5）斜交切面：既不垂直主轴，也不垂直光轴的切面。有无数个，它们都是椭圆切面（非主轴面）。斜交切面大体上可分为两种类型： 垂直主轴面（即NgNp面，NgNm面及NmNp面）的斜交切面，称半任意切面。这种切面的椭圆长短半径中，总有一个半径是主轴（Ng或Nm

26、或Np），另一个半径是Ng或Np。垂直光轴的圆切面，实质上是这类切面中的特殊类型。在半任意切面中比较重要的是垂直NgNp面（即光轴面）的斜交切面（图147）。这种切面的椭圆长短半径中有一个是Nm，另一个半径是Ng或Np。在某些情况下，它可以代替垂直光轴的切面。 任意斜交切面（图148）。椭圆的长短半径分别为Ng和Np。光波垂直这类斜交切面入射（即除光轴和主轴以外的任意方向）时，发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向分别平行椭圆长短半径方向；折射率值分别等于长短半径。双折率等于长短半径之差，其大小变化介于零也最大值之间。,37,6 光性方位,一、中级晶族晶体的光性方位 一轴晶光率体是一个旋转椭

27、球体，其旋转轴（光轴）与晶体的高次对称轴一致。 正光性晶体如石英（图15A）； 负光性晶体如方解石（图15B）。,38,二、低级晶族晶体的光性方位,二轴晶光率体为三轴椭球体，具三个互相垂直的二次对称轴（主轴），三个对称面（主轴面）和一个对称中心。其对称要素相当于斜方晶系的对称要素（3L23PC）。,1、斜方晶系 光性方位是：光率体的三个主轴与晶体的三个结晶轴一致。究竟是哪一个主轴与哪一个结晶轴一致，因矿物不同而不同，如黄玉是NP=X，Nm=Y，Ng=Z（图16A）。,39,2、单斜晶系晶体,单斜晶系晶体的对称要素是L2PC。Y晶轴为二次对称轴，Y轴与光率体三个主轴之一重合，其余两个主轴与结晶轴斜交。究竟是哪一个主轴与Y轴一致，其余二主轴一结晶轴斜交角度有多大，视矿物种类而不同。如透闪石是Nm=Y轴，NgZ=15（图16B）。,40,3、三斜晶系,三斜晶系的对称程度最低，只有一个对称中心与光率体的对称中心相当。因而三斜晶系晶体的光性方位是光率体的三个主轴与晶体的三个晶轴均斜交，其斜交角度因矿物不同而不同。图16C表示斜长石（An3