Естественный и поляризационный свет, показатель преломления, изотропные и анизотропные вещества, двупреломление

Введение

Кристаллооптические методы исследования минералов сводятся к изучению характеристик оптических и кристаллографических констант с помощью поляризационного микроскопа. Все оптические явления, наблюдаемые под микроскопом, обусловлены особенностями прохождения света через кристалл. Поэтому для успешного освоения кристаллооптических методов исследования необходимо ознакомиться с основами кристаллооптики и выявить закономерности прохождения света в кристаллах, которые объясняют причину возникновения в них различных оптических явлений.

Основные положения кристаллооптики

Природа света двойственна. С одной стороны, свет представляет собой лучистую энергию, о чем свидетельствуют фотоэффекты, люминесценция и другие явления. С другой стороны, свет проявляет себя как электромагнитные колебания с определенными длинами волн от 360 до 760 нм. Волновая природа света проявляется в преломлении, отражении и интерференции лучей, поэтому во всех руководствах по кристаллооптике в основу положена волновая теория света.

Естественный белый свет можно разложить на спектр, состоящий из множества лучей разного цвета: от красного до фиолетового, постепенно переходящих друг в друга. Свет какой-либо одной окраски называется монохроматическим и характеризуется определенной длиной волны. Обычно в составе белого света выделяют семь цветов спектра: фиолетовый (длина волны 360-410 нм), синий (410-470 нм), голубой (470-500 нм), зеленый (500-515 нм), желтый (515-560 нм), оранжевый (560-630 нм), красный (630-760 нм).

Установлено, что световые электромагнитные колебания осуществляются перпендикулярно к направлению распространения световой волны. При этом различают свет естественный и свет поляризованный.

Естественный свет – это такой свет, при котором колебания происходят во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной к направлению его распространения.

Плоскополяризованный свет – это свет, при котором колебания совершаются в одном определенном направлении данной плоскости. Эта плоскость называется плоскостью колебаний (рис.1).

В микроскопах для преобразования естественного света в поляризованный имеются специальные устройства – поляризаторы.

Световой луч при переходе из одной среды в другую, отличающуюся по оптической плотности, испытывает преломление. Показатель преломления является одним из наиболее важных оптических свойств минерала. Под показателем преломления (n) какого-либо вещества понимают отношение скорости света в воздухе или пустоте (v₁) к скорости света в данной среде (v₂), т.е. n=v₁/v₂. Таким образом, величина показателя преломления обратно пропорциональна скорости распространения света в данном веществе, а показатель преломления минералов всегда больше единицы. Для подавляющего большинства минералов он укладывается в интервал 1,400-1,800, для воды – 1,333, для канадского бальзама – 1,537, рудные минералы имеют показатели преломления от 2,000 до 3,000 и более.

Рис.1. Направления колебаний естественного луча (I) и плоскополяризованного (II): а – вид по направлению луча; б – вид сбоку

Оптические свойства минералов, наблюдаемые в поляризационном микроскопе, тесно связаны с их кристаллической структурой. В аморфных (не кристаллических) веществах и кристаллах кубической сингонии скорость распространения света одинакова во всех направлениях, а, следовательно, и показатель преломления для всех направлений постоянен, поэтому такие кристаллы называются изотропными. Под поляризационным микроскопом в скрещенных николях они черные, так как никакого воздействия на проходящий свет они не оказывают.

В кристаллах средних и низших сингоний скорость распространения света зависит от направления, и, следовательно, они обладают различными показателями преломления для разных направлений кристалла. Такие кристаллы называются анизотропными. Важнейшая особенность анизотропных минералов состоит в том, что они поляризуют свет и расщепляют световой луч на два луча со взаимно перпендикулярными колебаниями, которые распространяются в минерале с различными скоростями. Показатели преломления таких лучей различны, вследствие чего анизотропные минералы обладают двойным лучепреломлением и разностью хода.

Двойное лучепреломление измеряется величиной или силой двупреломления: она равна разности показателей преломления n₁-n₂.

Но в анизотропных кристаллах имеется одно или два направления, в которых двойного лучепреломления не происходит. Свет проходит в этом направлении как естественный.

Направление, в котором не происходит двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. В соответствии с тем, обладает ли кристалл одной или двумя оптическими осями, анизотропные минералы подразделяются на оптически одноосные и оптически двуосные.

К оптически одноосным минералам относятся кристаллы средних сингоний – гексагональной, тетрагональной и тригональной.

К оптически двуосным минералам относятся кристаллы низших сингоний – ромбической, моноклинной и триклинной.