《晶体光学基础》PPT课件.ppt

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1、材料研究方法 光学显微分析透射偏光显微分析反射偏光显微分析光学显微分析 利用偏光显微镜偏光显微镜对材料的显微组成和结构显微组成和结构进行的分析。显微组成：材料中各组成相的种类和数量 显微结构：组成相的形态、大小及分布 孔隙的形态、大小及分布 在电子显微镜被广泛应用之前，光学显微分析是最常用的材料组成与结构的分析方法，常被称为岩相分析。光学显微分析方法可分为透射偏光和反射偏光两种。（1）透射透射 光源发出的光线穿过材料薄片到达物镜成像。透射偏光下，可以对材料薄薄片片中的显微组成和结构进行观察分析，但对无机非金属材料（以透明矿物为主）而言，更主要的是对材料薄片中的组成相进行光性鉴定光性鉴定。（2）

2、反射反射 光线投射到材料光片表面并反射回到物镜成像 反射偏光下，同样可以对材料光光片片中的显微组成和结构进行观察分析，并且由于光片制备较薄片简单、材料结构不易在光片制备过程中遭受破坏，因此，在不要求矿物光性鉴定的情况下，材料的光学显微分析多采用反射偏光分析方法。1 透射偏光显微分析 由于鉴别矿物是光学显微分析的基础，因此在透射偏光显微分析中我们主要学习有关矿物光性鉴定的理论和方法晶体光学。晶体光学是研究可见光通过透明晶体所产生的各种光学现象及其规律，同时阐述在偏光显微镜下研究鉴定透明矿物的基本方法和原理的一门科学。不同的晶体其光学性质是不完全相同的，所以可以根据其在偏光显微镜下呈现的光性特征将

3、它们识别出来，这就是矿物的光性鉴定，如：宝石鉴定。对应的，关于不透明矿物光性鉴定的理论是不透明矿物的晶体光学。透射偏光下几种矿物的部分鉴定特征1.1 晶体光学基础1.1.1 光的本性光的本性 可见光是一种电磁波电磁波，由变化的电场和磁场交替产生而传播。故光波具有电磁波的一般特性：横波光波的振动方向与传播方向垂直 偏振性光波仅沿一个方向振动的性质 可见光的波长范围及波长与颜色的关系晶体光学晶体光学P2图图1-2自然光和偏振光的振动特点自然光自然光在垂直光波传播方向的平面内的任何方向上都有等幅 的光振动；偏振光偏振光在垂直光波传播方向的平面内，只有一个固定方向上 的光振动。晶体光学P3图1-3 自

4、然光自然光可以通过反射、折射、双折射或选择吸收作用转变成 偏光。偏光。所利用的光学部件可以是偏光片偏光片和偏光镜。偏光镜。偏光显微镜偏光显微镜就是在光源之后加上一个偏光片/镜，将入射的自 然光（阳光或灯光）改变成偏振光的。1.1.2 光在晶体中的传播现象与本质现象现象光发生传播方向的改变，即折射折射；本质本质晶体中的原子或离子受电磁波扰动而极化成偶极子，正 是偶极子的感应振动感应振动使光在晶体中继续传播。结果与规律结果结果光光的传播方向（折射）和速度发生改变；晶体晶体则产生 各种光学性质，包括折射率折射率。规律规律折射定律；即光在晶体中的传播方向或速度与晶体折射光在晶体中的传播方向或速度与晶体

5、折射 率之间存在着定量的联系率之间存在着定量的联系。光 的 折 射晶体光学晶体光学P5图图1-5折 射 定 律 式中：N 折射率；i 入射角；r 折射角；V 光的传播速度N被称为第二介质对第一介质的相对折射率相对折射率；若入射介质为真空（或空气），N称为折射介质的绝对折射率，简称折射率折射率；介质的折射率最终取取决决于于其其组组成成和和微微观观结结构构(内部质点的种类及其在空间的排列方式)。光在光在晶体中的传播规律晶体中的传播规律：与晶体的结构对称程度有关。与晶体的结构对称程度有关。关于晶体定向时晶轴的安置和轴单位、轴角的表示晶体定向：结晶学中为表达晶面或晶棱在晶体中的方位而选择的坐标系统。（

6、故为结晶学方向）晶轴：晶体构造中的行列方向；轴角：尽可能等于90轴轴单单位位：晶轴方向上行列结点间距，应尽可能使其相等。结晶学P85图6-2（1）发生单折射；（2）基本不改变入射光波 的振动特征。即：入射光为自然光时，射入晶体后，在光波振动平面的各个振动方向上仍有等幅光振动；为偏振光时，则仍为沿原方向振动的偏振光，仅仅是传播方向和速度发生了改变。在高级晶族晶体中在高级晶族晶体中晶体光学P7图1-7在中、低级晶族晶体中在中、低级晶族晶体中（1）一般将发生双折射，分解成振动方向互相垂直、传播速度不同的两种偏光；（2）沿特殊方向入射，只发生单折射，且基本不改变入射光波的振动特征。晶体光学P8图1-9

7、几个重要的基本概念（1）光学各向同性光学各向同性：晶体的折射率不随光波振动方向不同而异的性质。光性均质体均质体：具有光学各向同性的晶体。如：等轴晶系矿物和非晶态矿物。光学各向异性光学各向异性：晶体的折射率随光波振动方向不同而异的性质。光性非均质体非均质体：具有光学各向异性的晶体。如：中级晶族和低级晶族矿物.几个重要的基本概念（2）光轴光轴：非均质体中光波沿其入射不发生双折射的方向，用OA表示。一轴晶一轴晶：其中只有一根OA的晶体。（中级晶族晶体属此类）二轴晶二轴晶：其中有两根OA的晶体。（低级晶族晶体属此类）常光：光波射入一轴晶发生双折射分解的两束偏光中，传播速度（晶体折射率）不随振动方向不同

8、而改变的那束偏光，以符号“o”表示。非常光：相对于常光的另一束偏光，以符号“e”表示。双折率双折率：双折射产生的两偏光对应折射率之差：N2N1思考题思考题思考题思考题1.偏振光一定具有单色性吗？2.矿物的折射率受哪些因素的影响？3.如何理解光在不同晶族晶体中的传播特点？4.自然光射入非均质体一般将分解成两束偏光；偏光入射，情况会怎样？不同矿物的折射率是不同的；同一矿物的折射率也将随其结构对称程度不同而变化，即在矿物的不同结构方向上对应着不同的折射率。光在晶体中的传播特点取决于晶体中质点的种类（性质）和排列。本质在于矿物的折射率和光在晶体中的传播特点是光与矿物作用的结果。1.1.3 光率体定义：

9、用来表示晶体中任意一点处光的振动 方向与相应折射率之间关系的光性示 性体。形状：空间几何体均质体的光率体结论结论：（1）均质体的光率体形状形状为一个圆球体圆球体；（2）其主主要切面切面只有一种：圆切面。圆切面。例例：已知方镁石已知方镁石（等轴晶系）N，作出方镁石的光率体。作出方镁石的光率体。半径为：半径为：N（1）作任一方向射入方镁石晶体中心点心点 处的光的振动面,在各振动方向上截 N，得一半径为N的圆切面；（2）改变入射方向，重复（1）得无数个 半径为N的圆切面；（3）这些圆切面最终组成以入射点为球 心、方镁石折射率为半径的圆球体。一轴晶光率体例例：已知石英No；Ne，作出石英的光率体。解解

10、：石英为三方晶系晶体：abc Z入射X或Y入射绕光轴（或Z轴）旋转的旋转椭球体 Z入射入射 单折射；光率体切面为半径No的圆切面。XY平面入射平面入射 双折射；光率体切面为半径等于No和Ne的椭圆切面。NeZ；NoXY平面。三种主切面三种主切面：一轴晶光率体的主切面双折率双折率：0 Ne 0 NeNo NeNo NeNoNo一轴晶的光性正负一轴晶的光性正负当当：Ne No 称为一轴晶正光性光率体，用（）（）表示；相应矿物称为一轴晶正光性矿物一轴晶正光性矿物 Ne No 称为一轴晶负光性光率体，用（）（）表示；相应矿物称为一轴晶负光性矿物一轴晶负光性矿物例例.方解石属三方晶系，测其折射率平行Z晶

11、 轴方向：Ne，平行水平结晶方向：No。作出方解石的光率体。解：显然，方解石的光率体为一绕Ne旋转的 旋转椭球体，其与石英光率体的差别在 于Ne与No的相对大小不同。小 结光率体：用来表示晶体中任意一点处光的振动方向与 相应折射率之间关系的光性示性体。均质体光率体：形状：圆球体 主切面：圆切面一轴晶光率体：形状：旋转椭球体 主切面：OA切面；OA切面；斜交OA切面 光性正负：Ne No （）（）Ne No （）（）以及主切面对应的双折率大小。思考题思考题1.为什么晶体的折射率与光波在晶体中的振动方向有关？2.什么叫光率体的主切面？3.当入射光波为偏光，而且其振动方向平行于（与入射方向垂直的）光

12、率体椭圆切面半径之一时，光波进入晶体后的情况如何？如果入射偏光的振动方向与光率体切面半径斜交，光波进入晶体后的情况又将如何？4.作出四方晶系矿物Z 晶轴和Z 晶轴切片上对应的光率体切面。5.莫来石是斜方晶系矿物，测得其各晶轴对应的折射率分别为：X：N；Y：N；Z：N。试作出莫来石的光率体。二 轴 晶 光 率 体 二轴晶对应低级晶族晶体。此类晶体的结构对称程度更低：三结晶轴单位各不相等、也不全相互垂直，所以对应光率体的情况将更为复杂。解：解：镁橄榄石为斜方晶系矿物 a b c 90例例：测得镁橄榄石X晶轴方向对应 的折射率为，Y晶轴方向 折射率为，Z晶轴方向折射 率为。作出镁橄榄石对应 的光率体

13、。二轴晶光率体的构造二轴晶光率体的构造三轴椭球体三轴椭球体Z Z 入射入射X X 入射入射Y Y 入射入射有关二轴晶光率体的几个概念（有关二轴晶光率体的几个概念（1 1）主折射率、主轴及主轴面：二轴晶光率体的三根轴代表着三个主要光学方向三个主要光学方向，称为光学主轴，简称主轴；由两根主轴构成的切面两根主轴构成的切面称为主轴面；与三主轴对应的三个折射率与三主轴对应的三个折射率称为主折射率，依大小分别用Ng、Nm和Np表示，即：Ng Nm Np二轴晶光率体的光轴和二轴晶光率体的光轴和OAOA切面切面有关二轴晶光率体的的几个概念（有关二轴晶光率体的的几个概念（2 2）光轴面光轴面 包含两根光轴的光率

14、体切面，即NgNp主轴面，用 AP表示；光轴角 两光轴所夹锐角锐角，用2V表示；Bxa 两光轴所夹锐角锐角（即光轴角）（即光轴角）的角平分线；Bxo 两光轴所夹钝角钝角的角平分线，显然有Bxa Bxo。二轴晶光率体的光性正负BxaNg 或 NgNm NmNp （）（）BxaNp 或 NgNm NmNp （）（）二轴晶光率体的主切面二轴晶光率体的主切面 二轴晶光率体共有6 6种主切面种主切面：（1）三个主轴面：三个主轴面：Bxa切面切面Bxo切面切面AP切面切面（2）一个圆切面：OA切面切面（3）斜交切面：半任意斜交切面 切面半径必有一为主轴,另一为大小介于Ng和Np之间，用符号Ng和Np 表示

15、，其与三个主折射率的大小关系为：NgNgNmNpNpNmNgNgNgNpNgNpNm 任意斜交切面任意斜交切面：切面半径分别为：Ng和Np小 结二轴晶光率体：形状：三轴椭球体 主切面：5种 AP切面；Bxa切面；Bxo切面；OA切面；斜交切面（可进一步分为半任意和任意斜交切面）双折率:最小为0；最大为NgNp（在AP 切面上）；光性正负：BxaNg 或 NgNm NmNp （）（）BxaNp 或 NgNm NmNp （）（）1.1.4 光性方位 将光率体主轴与结晶轴之间的关系称为光性方位。均质体矿物均质体矿物的结构无方向性，所以无光性方位可言。（1）一轴晶矿物一轴晶矿物的光性方位 很简单：晶体

16、晶体Z 结晶轴结晶轴与光率体的与光率体的Ne 轴轴重合重合。一轴晶（中级晶族）晶体的光性方位示意一轴晶（中级晶族）晶体的光性方位示意（2）二轴晶矿物二轴晶矿物的光性方位 二轴晶矿物（对应低级晶族晶体）的光性方位较复杂。斜方晶系斜方晶系矿物的光性方位：晶体的晶体的三结晶轴三结晶轴分别与光率体的分别与光率体的三主轴三主轴重合重合，但对应轴名将因矿物不同而异。如：橄榄石：NgX NmZ NpY 鳞石英：NgZ NmX NpY 堇青石：NgY NmX NpZ 单斜晶系单斜晶系矿物的光性方位：晶体的晶体的Y晶晶轴轴与相应光率体与相应光率体三主轴之一三主轴之一重合重合，重合主轴轴名因矿物不同而异。如：透闪

17、石 NmY，NgZ15o 叶蜡石 NgY，NpZ10o，NmX 0o三斜晶系三斜晶系晶体的光性方位：三结晶轴三结晶轴与光率体与光率体三主轴三主轴均均斜交斜交，斜交角度因矿物不同而异。二轴晶（低级晶族）晶体的光性方位示意二轴晶（低级晶族）晶体的光性方位示意晶体光学基础小结晶体光学基础小结1.1.光的折射与晶体的折射率 现象、本质、相互关系及影响因素（质点的种类与排列方式）。2.光率体的定义及意义 定义：用来表示晶体中任意一点处光的振动方向与相应折射率之间关 系的光性示性体。意义：通过光波振动方向与相应折射率之间的关系将光波在晶体中的传 播与晶体的光性联系起来，使对晶体光性的研究可以用光率体描 述

18、。3.3.各类晶体对应的光率体形状、主切面（包括切面名称、形状、半径/轴名、双折率）及光性正负。4.4.光性方位 矿物结晶轴与光率体主轴之间的关系（一轴晶和二轴晶矿物）1.作出二轴晶光率体的主切面。2.何谓矿物的光性方位？矿物的光性方位有何实际意义？3 3.设普通角闪石，Np，Nm=Y,NgZ=30,=106。确定普通角闪石的光性符号，作出各主轴面上的光性方位图。思思 考考 题题光率体和光性方位的意义光率体和光性方位的意义光率体人为构造出的，并不真实存在；用来反映光射入晶体（光与晶体相互作用）后晶体光性的变化规律，这是通过正确建立晶体与光率体之间关系（光性方位）后实现的。光性方位晶体任何方向的切片均有确定的光率体切面与之对应；于是：晶体切片在显微镜下呈现的光性将由切片上对应的光率体切面决定。显然，随着矿物光性方位的确定，使得显微镜下矿片上光性特征显然，随着矿物光性方位的确定，使得显微镜下矿片上光性特征的变化可以用矿片上对应光率体切面来描述。的变化可以用矿片上对应光率体切面来描述。