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 v₀ отре­зок 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 t₁ и t₂ соответ­ственно 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.