Изучение минералов в скрещенных николях

При включенном анализаторе определяются следующие оптические свойства:

величина двойного лучепреломления кристаллов,

характер и угол их угасания,

знак удлинения.

Кроме того проводятся дополнительные операции, необходимые для точной характеристики плеохроизма, т.е. изменения собственной окраски минерала в зависимости от направления световых колебаний.

Наблюдения в скрещенных николях основаны на эффектах интерференции света в системе: поляризатор-кристалл-анализатор.

3.2.1.Оптические явления в системе: поляризатор-кристалл-анализатор

Если поляризатор и анализатор (нижний и верхний николи) расположены так, что плоскости колебаний в них параллельны, то свет проходит через оптическую систему микроскопа. При повернутых на 90° относительно друг друга николях, или, как говорят, при скрещенных николях, свет будет погашен верхним николем. Поле зрения в микроскопе становится темным. На этом эффекте основана поверка скрещенности николей.

Поместим на столик микроскопа шлиф кристаллической горной породы и рассмотрим явления, которые будут происходить при прохождении света через различно ориентированные срезы кристаллов. Световые лучи, выходя из поляризатора, проникают сквозь кристаллическую пластинку перпендикулярно ее поверхности. Следовательно, оптические свойства зерна минерала определяются сечением его индикатрисы, лежащим в плоскости шлифа (фокусной плоскости микроскопа).

Если в поле зрения микроскопа находится оптически изотропный минерал кубической сингонии или аморфное вещество, например, стекло или канадский бальзам, то любое сечение индикатрисы является круговым. Плоскополяризованный свет, вышедший из поляризатора, проходит через шлиф, не испытывая двупреломления и попадает в анализатор, где и будет погашен. Очевидно, что при вращении столика микроскопа картина не изменится, поскольку любые положения среза оптически изотропного кристалла совершенно равноценны. Таким образом, при скрещенных николях кристаллы кубической сингонии и аморфные вещества всегда будут выглядеть черными.

Рис.24. Положение кристалла, при котором оси индикатрисы Ng и Np совпадают с направлениями колебаний, пропускаемыми поляризатором (РР) и анализатором (АА)

Сказанное выше относится к разрезу оптически анизотропных одноосных кристаллов, перпендикулярному оптической оси. Этому разрезу также соответствует круговое сечение индикатрисы, и кристалл в этом случае остается черным при вращении столика микроскопа (если николи скрещены). Разрез, перпендикулярный оптической оси двуосного кристалла, гаснет не полностью, так как дисперсия света допускает некоторое его прохождение через анализатор.

Обратимся теперь к разрезам кристаллов, не перпендикулярным оптической оси. Установим в поле зрения микроскопа при скрещенных николях оптически анизотропный кристалл так, чтобы направления колебаний в нем совпали с плоскостями колебаний в николях. Это означает, что оси индикатрисы (например, Ng и Np) параллельны плоскостям колебаний РР и АА (рис.24), а следовательно, параллельны и нитям окулярного креста. Плоскополяризованный свет, вышедший из поляризатора с плоскостью колебаний РР, проходит сквозь кристалл без двойного лучепреломления в виде волны, которой соответствует показатель преломления п_g. Затем эта волна будет погашена анализатором с плоскостью колебаний АА ^ РР. Таким образом, в данном случае кристалл находится в положении угасания. При повороте столика микроскопа на 360° угасание минерала будет происходить четыре раза (через каждые 90°) в моменты совпадения колебаний в кристалле и в николях.

Если минерал поставить на угасание и после этого выключить верхний николь, то цвет и рельеф минерала, наблюдаемые при одном николе, будут соответствовать тому показателю преломления, который характеризует световые колебания, пропускаемые поляризатором. В положении, показанном на рисунке 24, эти свойства отвечают показателю преломления ng.

Рис. 25. Возникновение разности хода при прохождении света через кристаллическую пластинку.

R – разность хода; 1 и 2 – направления колебаний волн, проходящих через кристаллическую пластинку

Для того чтобы понять физический смысл оптических эффектов при прохождении света через сечения анизотропных кристаллов, направления колебаний в которых не совпадают с плоскостями колебаний в николях, необходимо остановиться на понятии разности хода (рис.25).

Как было отмечено, свет, входя в кристалл, испытывает двойное лучепреломление и распадается на две сопряженные плоскополяризованные волны, которые распространяются в кристалле с различными скоростями. Это приводит к тому, что при выходе из кристалла между этими волнами возникает определенная разность хода, равная расстоянию, на которое более быстрая волна опережает более медленную после прохождения этих волн через кристаллическую пластинку.

Волна, имеющая скорость v₁, проходит через кристаллическую пластинку толщиной d за время t₁= d/v₁,а волна, имеющая скорость v₂, — за время t₂ = d /v₂. Если v₁ < v₂, то t₁ > t₂.

Более медленная волна (1) выйдет из кристалла с опозданием относительно более быстрой волны (2) на время, равное t₁ - t₂. За это время более быстрая волна пройдет в воздухе со скоростью v₀отрезок пути, равный v₀(t₁ - t₂), который и представляет собой разность хода R. Далее в воздухе обе волны будут распространяться с одинаковой скоростью v₀, и разность хода между ними останется постоянной.

Таким образом, R = v₀(t₁ - t₂). Подставив вместо t₁и t₂соответственно d/v₁ и d/v₂, получаем:

R = v₀(d/v₁ - d /v₂) = d(v₀/v₁ - v₀/v₂).

Так как отношения скорости света в воздухе (v₀) к скоростям света в кристалле (v₁ и v₂) суть показатели преломления п₁ и п₂, то

R=d(п₁ - n₂).

Обозначив больший показатель преломления как n'_g, а меньший как n'_p, получаем:

R = d(n'_g - n'_p),

т.е. разность хода (R) равна толщине пластинки d (толщине шлифа), умноженной на силу двойного лучепреломления (n'_g - n'_p) длялуча, направленного перпендикулярно к пластинке.

Различные срезы одного и того же минерала в шлифе обнаруживают неодинаковую разность хода, так как при постоянной толщине шлифа d силадвойного лучепреломления меняется в зависимости от ориентировки сечения индикатрисы. Величина R возрастает от нуля на разрезе, перпендикулярном оптической оси, до максимального значения R =d(n_g - n_p) на разрезе, параллельном оптической оси в оптически одноосных кристаллах или плоскости оптических осей в двуосных кристаллах.

Рассмотрим явления, наблюдаемые в том случае, когда поворотом столика микроскопа направления колебаний в кристалле (т.е. оси индикатрисы Ng и Np)отклонены от направлений колебаний в николях (рис.26).

Допустим, что из поляризатора выходит плоскополяризованный в плоскости РР свет с амплитудой колебаний, равной отрезку ОВ (рис.27).

Рис.26. Положение кристалла, при котором оси индикатрисы Ng и Np отклоняются на угол α от направлений колебаний, пропускаемых поляризатором (РР) и анализотором (АА)

Войдя в кристалл, который не может пропустить такое колебание, свет испытает двупреломление и разделится на две световых волны с колебаниями по N_g и N_pс соответствующими амплитудами ОС и OD. Две световые волны, колебания которых совершаются во взаимно перпендикулярных направлениях, проходят через кристалл с разными скоростями и, следовательно, выходят из него с некоторой разностью хода.

Рис. 27. Изменение направления и амплитуды световых колебаний в системе поляризатор-кристалл-анализатор

До анализатора обе волны проходят в воздухе с одинаковой скоростью. Затем сначала одна, потом другая волна вступают в анализатор. Так как их колебания направлены под углом к колебаниям, которые может пропустить анализатор, каждая из них, в свою очередь, разложится на две составляющие. Таким образом, в анализаторе возникают четыре световых волны.

Две из них с амплитудами ОН и OL, расположенные в плоскости РР, будут погашены. Две другие, с равными амплитудами ОЕ и OF, расположенные в плоскости АА, будут пропущены анализатором. Как видно из рисунка 27, эти два колебания равны между собой по амплитуде, но направлены в разные стороны, т.е. находятся в противоположных фазах. Поэтому разность хода, которая возникает в кристаллической пластинке, изменяется в системе скрещенных николей на половину волны (λ/2).

При выходе из анализатора два колебания, сведенные в одну плоскость, интерферируют. Интенсивность света при этом зависит от угла между направлениями световых колебаний в кристалле и николях. При повороте столика микроскопа на 360° угасание минерала происходит четыре раза в положениях, при которых направления колебаний в кристалле совпадают с направлениями колебаний в николях. Максимальное просветление также наступает четыре раза в положениях, при которых направлениясветовых колебаний в кристалле повернуты на 45° относительно плоскостей колебаний в николях.