第四章-晶体光学基础

第四章晶体光学基础晶体光学?晶体光学是研究可见光通过晶体时所产生的一系列光学性质及其规律的一门科学。晶体光学?本课程主要介绍偏光显微镜下研究和鉴定透明矿物的基本原理和方法。为什么学习晶体光学?由于不同的矿物晶体具有不同的光学性质，因此晶体光学是研究和鉴定透明矿物的重要方法。偏光显微镜－鉴定矿物的重要工具偏光显微镜鉴定法是鉴定透明矿物和岩石的最基本方法，是学习矿物和岩石学的重要基础。晶体光学的应用范围矿物、岩石、冶金、建材、玻璃、陶瓷、医药、化工、铸造。晶体光学章节构成晶体光学基础－晶体光学的基本原理偏光显微镜－鉴定矿物的重要工具偏光显微镜下晶体光学性质单偏光正交偏光锥光目的及要求学会在偏光显微镜下鉴定矿物的方法第四章晶体光学基础第一节自然光和偏光第二节光的折射和折射率第三节光的双折射和双折射率第四节光率体第五节光性方位第一节自然光和偏光光是一种电磁波电磁波谱第一节自然光和偏光光是一种横波第一节自然光和偏光自然光的特点光波在垂直于光波传播方向的平面内做任意方向的振动其振动面均匀对称瞬息万变各个振动方向的振幅是相同第一节自然光和偏光光分为自然光和偏光第二节光的折射和全反射•光的折射和折射率•光的全反射一光的折射和折射率相对折光率?绝对折光率?二光的全反射反射临界角?全反射?光疏介质光密介质第三节光的双折射及双折率一、双折射现象白纸上涂一个黑点，将方解石放在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。当一束自然光穿过方解石等晶体时，分成两条折射光的现象称为双折射现象。这两条光线都是偏振光。第三节光的双折射及双折率二、光性均质体和光性非均质体•1．光性均质体非晶质体（空气、液体、玻璃、树胶）、等轴晶系晶体光波射入均质体中发生单折射现象。折射率值只有一个。•2．光性非均质体中级晶族和低级晶族的矿物晶体光波进入非均质体，除特殊方向外，都产生双折射现象。实验证明：光射入非均质体中，除特殊方向以外都要发生双折射，分解形成振动方向互相垂直、传播速度不同、折光率不等的两支偏光。光e光o当光沿四方晶系、三方晶系和六方晶系的Z轴（高次轴）方向入射时不发生双折射，也不改变入射光波的振动性质。在非均质体中这种不发生双折射的特殊方向称光轴。中级晶族的矿物，这种光轴方向仅有一个，故统称为一轴晶。低级晶族的矿物，这种光轴方向有两个，故统称二轴晶。三、晶体的光轴双折射形成的两支偏光，其中的一支偏光的振动方向永远垂直于光轴，称为常光，以o表示，简称o光，其相应振动方向上的折光率No是个常数。另一支折射光振动方向包含在光波传播方向与光轴所构成的平面内，其折光率数值随振动方向而异，称为非常光，以e表示，简称e光，其折光率用Ne表示。光e光o四、常光与非常光双折射形成的两支偏光的折射率值的差值，称双折射率（重折率、重屈折率），用Bi表示。四、双折射率实际测得方解石的No为1.658，方解石非常光折光率最小值Ne为1.486，因此方解石的重折率为Bi＝1.658-1.486=0.172光o光e光轴71方解石非晶质物质（如玻璃、琥珀）光性均质体高级晶族-等轴晶系晶体（如萤石、石盐）三方晶系晶体（如方解石、电气石）一轴晶四方晶系晶体（如锆石、锡石）六方晶系（如磷灰石、霞石）光性非均质体斜方晶系晶体（如橄榄石、重晶石）二轴晶单斜晶系晶体（如透辉石、阳起石）三斜晶系晶体（如斜长石、硅灰石）自然界物质的光性特征及光性分类第四节光率体•一光率体•二均质体的光率体•三一轴晶光率体•四二轴晶光率体一光率体•光率体是表示光波在晶体中传播时，光波的振动方向与相应振动方向上折光率值之间关系的一种立体图形。其具体作法是设想自晶体中心起，沿光波振动方向按比例截取相应的折射率值，每一个振动方向都能作出一个线段，把各个线段的端点连接起来便构成一个立体图形，此即为光率体二均质体的光率体•光波在均质体中传播时，向任何方向振动，其传播速度不变，折射率值相等。因此，均质体的光率体是一个圆球体。均质体光率体任何方向的切面都是圆切面，圆切面半径代表均质体的折射率值（N）。NN三一轴晶光率体•一轴晶光率体是一个以Z晶轴为旋转轴的旋转椭球体，而且有正负光性之分。这类矿物有最大和最小两个主折光率值，分别以符号Ne和No表示•正光性光率体•负光性光率体•一轴晶光率体的主要切面1．一轴晶正光性光率体•正光性光率体——为一个长形旋转椭球体，旋转轴为长轴，光波平行Z轴（光轴）振动时的折射率值总是大于垂直Z轴振动时的折射率，即Ne＞No。凡具这种特点的光率体称为一轴晶正光性光率体，相应的矿物称一轴晶正光性矿物。如石英。光轴1.5531.544一轴晶正光性光率体的构成（石英为例）1．一轴晶正光性光率体光轴1.5531.544一轴晶正光性光率体的构成（石英为例）Z轴NONe1.5441.5532．一轴晶负光性光率体•负光性光率体---为一个偏形旋转椭球体，其旋转轴为短轴，光波平行Z轴振动时的折射率总是小于垂直Z轴振动时的折射率，即Ne＜No。凡具这种特征的光率体称为一轴晶负光性光率体，相应的矿物称一轴晶负光性矿物。如方解石。光轴NeNo1.4861.658（方解石为例）一轴晶负光性光率体的构成3．一轴晶光率体的主要切面垂直光轴(OA)的切面：平行光轴的切面：斜交光轴的切面：正光性NeNeNeNoNoNoNoNe’NeNoNoNoNoNeNe’NoNoNoNoNoNoNeNeNe负光性上节课内容•自然光和偏光的特点•光的折射和折射率•光的双折射和双折射率•均质体光率体和一轴晶光率体提问•什么是双折射和双折射率？•什么是光性均质体和光性非均质体？•什么是o光？什么是e光？•什么是光率体？•什么是光轴？•什么是一轴晶、二轴晶？•均质体光率体是什么形状？•一轴晶光率体是什么形状？•一轴晶光率体的主要切面类型，其重折率大小如何？NgNm四二轴晶光率体四二轴晶光率体•二轴晶矿物晶体的三个结晶轴单位不相等（a≠b≠c），表明它们三度空间方位的不均一性。实验证明，这类矿物都具有大、中、小三个主折射率值，它们分别与互相垂直的三个振动方向相当，通常以符号Ng、Nm、Np代表大、中、小三个方向折射率值。当光波沿其它方向振动时，相应的折射率值递变于Ng、Nm、Np之间，一般以符号Ng′和Np′表示，它们与Ng、Np的相对大小关系是：Ng＞Ng′＞Nm＞Np′＞Np。二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体。即三轴椭球体。1存在三个光学主轴和三个主轴面•二轴晶光率体（三轴椭球体）中，三个互相垂直的轴代表二轴晶矿物的三个主要光学方向，称光学主轴，简称主轴，即Ng轴、Nm轴和Np轴。包括两个主轴的切面，称主轴面。二轴晶光率体有三个互相垂直的主轴面，即Ng-Np面、Ng-Nm面与Nm-Np面。二轴晶光率体的特征2存在两个光轴•二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体，通过Nm轴在光率体的一侧（Ng轴与Np轴之间），可以连续作一系列椭圆切面。这些切面的半径之一始终是Nm轴，另一半径递变于Ng与Np之间。在它们中间总可找到一个半径相当于Nm的圆切面。在光率体的另一侧，同样可截出另一圆切面。光波垂直这两个圆切面入射时，不发生双折射，因而这两个方向是光轴方向，以符号“OA”表示。通过光率体中心，只能截出两个圆切面，即只有两个光轴，故称二轴晶。3光轴面与光轴角•包括两个光轴的面称光轴面（与主轴面Ng－Np面一致），以符号“Ap”表示。两个光轴之间夹角称光轴角，以符号“2V”表示。两个光轴之间锐角的平分线称锐角等分线，以符号“Bxa”表示；两个光轴之间钝角的平分线称钝角等分线，以符号“Bxo”表示。BxaBxo4二轴晶光率体有光性正负之分•根据Ng、Nm、Np的相对大小确定二轴晶矿物的光性符号。•①当Ng-Nm＞Nm-Np时，为正光性。两个光轴之间的锐角等分线（Bxa）必定是Ng轴。•当Ng-Nm＜Nm-Np时，为负光性。两个光轴之间的锐角等分线（Bxa）必为Np轴。Bxa=NgBxoBxa=NpBxo5二轴晶光率体的主要切面(1)⊥OA切面(2)∥AP切面5二轴晶光率体的主要切面(3)⊥Bxa切面(4)⊥Bxa切面Ng=BxaNp=Bxa(+)(-)5二轴晶光率体的主要切面Ng(5)⊥Bxo切面(6)⊥Bxo切面(+)(-)5二轴晶光率体的主要切面(7)⊥AP的斜交切面(8)任意的斜交切面(+)(+)5二轴晶光率体的主要切面第五节光性方位光率体主轴与晶体结晶轴之间的关系称光性方位。第五节光性方位一轴晶的光性方位第五节光性方位二轴晶的光性方位斜方晶系单斜晶系三斜晶系光线垂直斜方晶系橄榄石的（100）面入射时所产生的两个折光率为1.654和1.670，若垂直（010）面入射时，则产生两个折光率为1.670和1.689。①绘出（001），(010)晶面上的光率体切面，标明各轴的数值和名称；②确定光性符号和光性方位；③光线垂直哪个面入射时产生最大的双折射率？作业题（100）（010）（001）ZYX1.6701.6541.6891.670Ng=1.689Nm=1.670Np=1.654(010)(001)Ng∥XNm∥ZNp∥Y⊥(001)(100)