Кристаллооптические свойства
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 2
Общие сведения об оптических свойствах 3
Кристаллоптические свойства 4
Собственно оптические свойства 12
3.1. Прозрачность 12
3.2. Цвет (окраска) минералов 16
3.3. Цвет черты 17
3.4. Плеохроизм (поглощение света) 19
3.5. Блеск 22
3.6. Люминесценция 26
4. Минералогический анализ шлиха 30
ВЫВОД 31
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 32
ВВЕДЕНИЕ
Шлихами называют концентраты минералов большого удельного веса, получаемые при отмывке водой природных рыхлых отложений. Почти все ценные в промышленном отношении минералы россыпей обладают сравнительно большим удельным весом и при промывке рыхлых горных пород оказываются в шлихе.
Шлиховой метод опробования широко используется в золото-платиновой промышленности. С давних лет добыча золота и платины как в России, так и в других странах производилась главным образом из россыпей. Однако более полное изучение минералогического состава россыпей для практического использования шлихов началось сравнительно недавно. Первые работы по изучению шлихов наиболее интересных россыпей Урала, Сибири и других районов СССР были проведены лишь 20— 25 лет назад.
В настоящее время шлихи используются как сырье для получения золота, платины, олова, тантала, ниобия, вольфрама, ртути и других редких элементов.
1.Общие сведения об оптических свойствах
Оптические свойства относятся к числу наиболее важных диагностических признаков. На них основана методика определения минералов под микроскопом и макроскопически. Световой луч, падая на поверхность минерала, частично отражается от неё, частично преломляется или поглощается минералом. Оптические свойства минералов подразделяются на кристаллооптические, связанные с поляризацией света при прохождении сквозь кристаллы, и собственно оптические, такие как прозрачность, цвет, блеск, люминесценция минералов.
Конечно, обе группы свойств тесно связаны между собой (например, блеск прозрачных минералов непосредственно обусловлен их светопреломлением), но в минералогической практике, когда речь идет о визуальном, макроскопическом определении минералов, шире используются свойства второй группы и основанные на них диагностические признаки.
Дело в том, что для определения кристаллооптических свойств необходима специальная аппаратура (прежде всего — поляризационный микроскоп), а также набор иммерсионных жидкостей для измерения показателей преломления, рефрактометры и т.д., — но всем этим располагают только специалисты. Поэтому мы ограничимся здесь тем, что дадим в самом сжатом виде общее представление о кристаллооптических свойствах и более подробно остановимся на таких оптических свойствах минералов, как прозрачность, цвет (включая плеохроизм), цвет черты и блеск.
Кристаллооптические свойства
Минералы (точнее, их кристаллы) разделяются на две большие группы: оптически изотропные и оптически анизотропные.
К первой группе относятся минералы кубической сингонии. В высокосимметричных кристаллах кубической сингонии атомы, ионы и другие составляющие их частицы равномерно распределены в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и потому световой луч распространяется в них во все стороны с одинаковой скоростью. Соответственно эти кристаллы имеют один показатель преломления, представляющий собой величину, обратную скорости распространения светового луча в какой-либо среде.
Показатель преломления любой оптически прозрачной среды измеряется по отношению к показателю преломления воздуха, равному 1,0003 и обычно без особой погрешности принимаемому за единицу — показатель преломления пустоты. Поэтому определяемые экспериментально значения показателей преломления прозрачных сред, в том числе и кристаллов, практически можно считать абсолютными.
Помимо кристаллов кубической сингонии оптически изотропными являются аморфные вещества, включая опал, янтарь, аллофан и другие минералоиды, а также стекла. Они тоже характеризуются одним показателем преломления.
Правда, у некоторых оптически изотропных минералов с высоким светопреломлением (например, у алмаза) бывает резко выражена дисперсия света, а точнее — дисперсия показателей преломления лучей видимого спектра, т.е. значения показателей преломления световых лучей разного цвета (с разной длиной волны) значительно различаются.
Проходя сквозь такие кристаллы, белый свет разлагается в радужный спектр, и в кристалле вспыхивают разноцветные блики или он даже рассыпает снопы цветных искр; этот эффект называется "огнем", или "игрой", кристалла (в частности, драгоценного камня).
Явление оптической дисперсии вызывает необходимость раздельного определения показателей преломления света с разной длиной волны даже для оптически изотропных сред. Сопоставление различных сред по оптической плотности, т.е. по величине показателя преломления (чем он выше, тем больше оптическая плотность среды) чаще всего производится по показателю преломления, измеренному для желтого света с длиной волны 589,3 нм, испускаемого парами натрия (показатель преломления для натриевого света).
В нормальном случае (за исключением некоторых аномальных веществ, которых, впрочем, нет среди драгоценных камней, — а ведь именно для них роль дисперсии наиболее значима) показатель преломления повышается с уменьшением длины волны света, т.е. от красного края видимого спектра к фиолетовому. С увеличением показателя преломления среды (кристалла) в целом возрастет, хотя и нелинейно, угловая ширина спектра, т.е. той радужной полоски, которая возникает вследствие разложения белого света при прохождении его через кристалл. Она-то и служит выражением величины дисперсии, вызывающей сияние и искрение алмаза и ряда других драгоценных камней: чем шире эта полоска, тем дисперсия сильнее. Но это — чисто качественный подход, а такое важное свойство, как дисперсия, подлежит, разумеется, количественной оценке, которая давала бы возможность сравнивать числовые значения дисперсии разных минералов и синтетических кристаллов.
В целях унификации измерения дисперсии принято выражать ее в виде разности показателей преломления световых лучей в стандартном интервале, соответствующем фраунгоферовым линиям В (686,7 нм) и G (430,8 нм) видимой части солнечного спектра; интервал B-G охватывает почти всю видимую часть спектра: линия В лежит у его красного конца, линия G — у фиолетового.
Практически же дисперсия обычно измеряется для интервала 670,8-422,7 нм, ограниченного красной спектральной линией лития и фиолетовой — кальция. Наибольший эффект дает дисперсия света у бесцветных прозрачных кристаллов с высоким показателем преломления; у окрашенных камней даже высокая дисперсия менее заметна, хотя все же, несомненно, делает их более привлекательными.
Среди бесцветных минералов максимальной дисперсией BG обладает алмаз (0,044), за ним следует циркон (0,039). Но надо сказать, что для своего весьма высокого показателя преломления, равного 2,42, алмаз имеет не столь уж большую дисперсию. Есть несколько минералов (гранат-демантоид, титанит, касситерит), значительно превосходящих алмаз по величине дисперсии, хотя у них показатели преломления гораздо ниже. Однако все эти минералы окрашены, а потому эффект "огня" (игры камня), обусловленный высокой дисперсией, у них не столь заметен как у алмаза.
Ко второй группе оптически анизотропных минералов — относятся все представители средних и низших сингоний, т.е. абсолютное большинство минералов. Оптически анизотропные кристаллы обладают способностью поляризовать естественный свет, т.е. строго упорядочивать и ориентировать в пространстве направление его колебаний. Эта их способность есть ответная реакция атомов (ионов), слагающих кристалл, на воздействие, которое оказывает на них электрическое поле световых волн: ведь свет, как известно, — один из видов электромагнитных колебаний.
В кристаллах средних сингоний, имеющих, как мы уже знаем, одну кристаллографическую ось высшего порядка — тройную, четверную или шестерную — ориентированную вертикально (служащую осью с), световой луч раздваивается на два с разными свойствами. Один из них подчиняется обычным законам преломления света, т.е. имеет постоянную скорость распространения во всех направлениях в кристалле и, соответственно, постоянный показатель преломления; иными словами, на его поведении оптическая анизотропность кристалла не сказывается. Этот луч был назван Х.Гюйгенсом (1678; опубликовано в 1690) "обыкновенным" (о). Другой же луч в разных направлениях распространяется с различной скоростью, т.е. его показатель преломления зависит от направления в кристалле. Такой луч получил название "необыкновенного" (е).
Но в кристаллах средних сингоний есть одно направление, в котором раздвоения лучей не происходит. Если пучок света распространяется вдоль главной кристаллографической оси, то все лучи пучка ведут себя как обыкновенные. Это направление, совпадающее в кристаллах средних сингоний с осью e, т.е. с их единственной кристаллографической осью высшего порядка (L3, L4, L6), называется оптической осью; соответственно такие кристаллы являются оптически одноосными. Если скорость распространения обыкновенного луча больше, чем необыкновенного (или, иными словами, показатель преломления первого меньше, чем второго), то одноосный кристалл считается оптически положительным, при обратном соотношении скоростей — оптически отрицательным.
В оптически положительных одноосных кристаллах необыкновенный луч имеет наибольшую скорость, равную скорости луча обыкновенного, распространяясь вдоль оптической оси (оси с кристалла), — т.е. в том случае, когда он и ведет себя во всех отношениях как обыкновенный луч. В этом направлении переменный показатель преломления необыкновенного луча понижается до своего минимального значения, равного показателю преломления обыкновенного луча. А максимальное значение показателя преломления необыкновенного луча у оптически положительных одноосных кристаллов соответствует его распространению в плоскости, перпендикулярной оптической оси (оси с кристалла); в этой плоскости скорость распространения необыкновенного луча постоянна и в таких кристаллах минимальна.
В оптически отрицательных одноосных кристаллах наблюдается, естественно, обратная картина: вдоль оси с (оптической оси) необыкновенный луч распространяется с наименьшей скоростью, т.е. имеет наибольший показатель преломления (равный опять-таки показателю преломления обыкновенного луча), а в плоскости, перпендикулярной оптической оси, — с постоянной и максимальной скоростью, т.е. его показатель преломления в этой плоскости — самый низкий по сравнению с показателем преломления обыкновенного луча.
Явление раздвоения светового луча в кристаллах с возникновением двух лучей, имеющих разные скорости распространения, носит название "двойное лучепреломление", или (чаще употребляемое) двупреломление. Разность показателей преломления обоих лучей (ne-no для положительных и no-ne для отрицательных одноосных кристаллов, причем в первом случае принимается во внимание максимальное значение показателя преломления необыкновенного луча, а во втором — минимальное) характеризует силу двупреломления.
Явление двупреломления нагляднее всего наблюдается на классическом примереисландского шпата— прозрачных крупных кристаллов кальцита (точнее, их спайных выколков по ромбоэдру).
Кальцит — одноосный оптически отрицательный минерал, и скорость распространения в нем необыкновенных лучей больше, чем обыкновенных; поэтому изображение, создаваемое первыми, располагается ниже, а создаваемое вторыми — выше. Если же вырезать из исландского шпата пластинку, перпендикулярную оси с, и поглядеть сквозь нее на тот же текст или рисунок, то никакого их удвоения или перемещения не наблюдается: ведь вдоль оптической оси все лучи проходят как обыкновенные.
Однако, бросив косой взгляд (под углом к направлению оси с), мы вновь обнаружим оба проявления двупреломления. А если пластинку вырезать параллельно оси с, так, чтобы луч зрения был ориентирован по направлению, ей перпендикулярному, то, хотя в этом случае и возникает удвоение изображения (причем максимальное), но располагаются оба они строго одно над другим, т.е. перекрываются, и чтобы заметить удвоение, придется опять-таки изменить угол зрения.
В количественном отношении двупреломление минералов удобно подразделять на низкое (слабое) — менее 0,010; среднее — от 0,010 до 0,050; высокое (сильное) — от 0,050 до 0,10; и весьма высокое (очень сильное)— более 0,10.
Кальцит обладает весьма высоким двупреломлением (0,172), благодаря чему раздвоение изображения у исландского шпата и выражено столь резко. Из исландского шпата изготовляли (да и сейчас иногда изготовляют) поляризующие свет призмы (призмы Николя, в обиходе — николи) для исследовательских поляризационных микроскопов; впрочем, нынче для этого чаще употребляют особые пленки — поляроиды.
Различия в свойствах обыкновенного и необыкновенного лучей вызываются поляризацией света кристаллическим веществом. Оба луча являются плоско поляризованными, т.е. колебания каждого из них локализованы в одной плоскости. Но у обыкновенного луча плоскость колебаний (плоскость поляризации) перпендикулярна оптической оси (оси с) кристалла, а у необыкновенного — параллельна ей. С целью наглядно представить себе ход лучей света в кристаллах строится вспомогательный геометрический образ — оптическая индикатриса; при ее построении в направлениях, перпендикулярных направлениям распространения обоих поляризованных лучей, откладываются отрезки, пропорциональные их показателям преломления (No и Ne).
Оптически анизотропные кристаллы так же, как и изотропные, могут обнаруживать дисперсию света, подчас весьма сильную (например, у рутила, касситерита, титанита она много выше, чем у алмаза, а у циркона — лишь немногим ниже). Но у двупреломляющих минералов разные лучи могут проявлятьразличную степень дисперсии; поэтому в справочниках для них приводится обычно максимальная величина дисперсии, далеко не всегда соответствующая наблюдаемой на практике.
Кроме того, использование сильно двупреломляющих бесцветных или слабоокрашенных кристаллов в качестве имитаций алмаза затрудняется тем, что такую имитацию очень легко раскрыть: стоит лишь внимательно рассмотреть камень (в том числе и ограненный) под лупой — и у камней с высоким двупреломлением (типа циркона) становится заметным раздвоение ребер задних граней (фасеток), чего никогда не бывает у кристаллов кубической сингонии, таких, как алмаз или искусственные драгоценные камни — фианит, фабулит (титанат стронция), синтетические редкоземельные гранаты.
У многих кристаллов наблюдается также дисперсия оптических осей и/или биссектрис (осей индикатрисы), проявленная в разной степени, но для некоторых минералов весьма характерная; к сожалению, однако, увидеть ее можно только под микроскопом. Такого рода дисперсия имеет своим следствием изменение величины угла оптических осей (2V) для световых лучей с разной длиной волны; поэтому и значение 2V обычно дается в справочниках для того же натриевого света с длиной волны 589,3 нм.
Коснемся, хотя бы в самых общих чертах, интересного вопроса о связи кристаллооптических свойств с химическим составом и кристаллической структурой минерала.
Как мы видели, эти свойства обладают резко выраженным векторным характером, а значит, должны обнаруживать зависимость от структурных особенностей кристаллов. Что же касается влияния состава минералов на их оптические свойства (прежде всего — на величину показателей преломления), то оно может быть охарактеризовано как суммарный эффект, оказываемый различными катионами и анионами.
Существует целый ряд катионов, вхождение которых в минерал всегда повышает показатель (показатели) преломления. К их числу относится прежде всего железо, причем как Fe2+, так и особенно Fe3+. Железистые минералы всегда имеют более высокое светопреломление, чем их магнезиальные аналоги (например, члены изоморфных рядов) или изоструктурные с ними минералы, не содержащие железа; например, в парах корунд Al2O3 — гематит Fe2O3 или бёмит AlO(OH) — лепидокрокит y-FeO(OH) у железистых аналогов показатели преломления много выше.
Повышают показатели преломления также Ti4+ и Zr4+. Наоборот, такие катионы, как Н+ и В3+, всегда их понижают. Но особенно резко влияют на показатели преломления в сторону понижения некоторые (наиболее мелкие) анионы, в частности F- и (ОН)-. В то же время крупные анионы, например, Cl- или Br-, способствуют повышению показателей преломления.
Более высокие значения показателей преломления (при постоянном составе) присущи, как правило, минералам с более плотной структурой(упаковкой атомов), т.е. с большим координационным числом катионов.
На величину двупреломления оказывает большое влияние структурный мотив: сильно двупреломляют, например, многие минералы со слоистой (слюды, пирофиллит, тальк и др.) и субслоистой (кальцит, арагонит, титанит) структурой. Однако у хлоритов двупреломление гораздо слабее, чем у слюд, вследствие того, что хлориты сильно гидратированы — обогащены гидроксилом (ОН)-.
Высоким двупреломлением характеризуются также многие минералы с цепочечной (клинопироксены и амфиболы, рутил, касситерит и др.) и островной структурой(оливин, особенно фаялит; циркон, ксенотим и др.).
Напротив, минералам скоординационной, каркасной или кольцевой структурой более свойственно низкое или среднее двупреломление.
В целом можно сказать, что двупреломление у кристаллов тем сильнее, чем резче выражена их анизометричность, т.е. чем контрастнее проявлены различия в характере расположения атомов (прежде всего — в плотности их упаковки) по различным структурным направлениям. Чем гуще расположены атомы (ионы) вдоль какого-то направления в кристаллической решетке, тем меньше скорость распространения света по этому направлению (т.е. тем выше показатель преломления); и наоборот, вдоль направления с разреженным расположением частиц свет распространяется с большей скоростью и, следовательно, показатель преломления в этом направлении ниже.