晶体光学与造岩矿物.pdf

晶体光学与造岩矿物 林培英 主编 北 京 内 容 提 要 本书 由三 部分组 成第一部 分主 要介绍 了晶体 光 学的 基 本原 理 和基 础 知识 ,偏 光 显微 镜 的构 造 与 使用方 法,单偏光 、正交 偏光 和锥光 系统 下的晶 体光 学性质 ;第二 部 分 重 点介 绍 了 最 主 要的 七 种 造 岩矿物 橄 榄石 、辉石 、角闪 石、 黑云母 、斜 长石、 钾长 石和石 英的 分类 、光 性 方位 及 光性 特 征 ;第三 部分 为实验 任务及 指导 ,应用 晶体 光学原 理及 方法,通过偏 光 显 微 镜对 晶 体 光 学 性质 进 行 基 本技能 的训 练,加 深对 晶体光 学中 抽象概 念的理 解。 本书 加强 了晶体 光学 性质与 化学 成分、 结构、 光 性方 位 之间 的 结合 ;加 强了 晶 体光 学 在宝 石 学 方 面的应 用;将晶体 光 学、 造 岩 矿 物、 实 验 任 务 及 指 导 集 于 一 书 ,并 附 有 习 题、 思 考 题 ,便 于 查 找 、学习 与应 用;全 书共 附插图 300 余幅 及彩 图 7 版,醒目 、直观 、易 懂。 本书 除了 作为地 质专 业、能 源专 业、珠 宝专 业、 地球 化 学专 业、 材 料专 业 的教 材 外,也适 合 于 岩 矿鉴定 、珠 宝鉴定 人员 及广大 地质 工作者 参考。 图书在版编目 CIP数据 晶体光学与造岩矿物 /林培英主编 . 北京 地质出版社, 2005. 9 ISBN 7116045406 Ⅰ. 晶 . . . Ⅱ. 林 . . . Ⅲ. 晶体光学 应用 造岩矿 物 高等学校 教材 Ⅳ. P585. 1 中国版本图书馆 CIP 数据核字 2005第 092300 号 JINGTI GUANGXUE YU ZAOYAN KUANGWU 责 任编辑 李 凯明 责 任校对 郑 淑艳 出 版发行 地 质出版 社 社 址邮编 北 京海淀 区学 院路 31 号,100083 电 话 010 82324508 邮 购部 ; 01082324576 编 辑室 网 址 http / /www. gph. com. cn 电 子邮箱 zbs gph. com. cn 传 真 010 82310759 印 刷 北 京朝阳 区小 红门印 刷厂 开 本 787 mm 1092 mm 1 /16 印 张 14. 5 图版 4 页 字 数 320 千字 印 数 13000 册 版 次 2005 年 9 月北 京第一 版第 一次 印刷 定 价 20. 00 元 ISBN 7116045406 /P2600 凡购买地质出版社的图书, 如有缺页、倒页、脱页者, 本社出版处负责调换 前 言 晶体光学是研究可见光通过透明矿物晶体时所引起的反射、双折射、全 反射、偏光、吸收、干涉、色散等现象及其规律的一门科学。简单地说,就 是研究矿物晶体的光学性质的一门科学。它不仅应用于岩石中矿物成分及其 成因的研究,而且在冶金、建材、化工、医药、农业、陶瓷等领域也得到广 泛应用。不同矿物具有不同的光学性质,因此晶体光学是研究和鉴定透明矿 物的基础,它既是一门方法课,又是一门理论联系实践很强的学科。 晶体光学也是鉴定宝石的技术基础。晶体光学中的几何光学三大定律是 制造宝石鉴定仪器的理论基础。另外在宝石鉴定中也常用到晶体光学中的均 质体、非均质体,单折射、双折射、多色性,一轴晶、二轴晶,正晶、负晶 等基本概念。 造岩矿物是组成岩石的矿物,它的鉴定需应用光性矿物学的知识。光性 矿物学是应用晶体光学原理和方法对透明矿物的光学性质进行研究的一门学 科,是矿物学的一个分支。它的理论基础是晶体光学,晶体光学的基本理论 是光率体,应用的仪器是偏光显微镜,主要研究途径是将矿物或岩石标本磨 制成薄片,在偏光显微镜下,测定矿物的光学性质,确定矿物成分,最后定 出岩石名称。 本书是根据编者及中国地质大学 北京岩矿教研室三十多年来积累的 教学实践体会,并参阅、吸收了近年来国内外出版的晶体光学教材和宝石学 及各种有关宝石鉴定的书籍编写而成,并通过学校批准,列入学校“地学专 业基础课和专业教材专项建设规划” 。该书可作为地质、宝玉石、硅酸盐材料 等专业的教材,也可作为岩矿鉴定人员、宝玉石鉴定人员、地质科研人员等 的参考用书。 本书具有如下的特点 1 将晶体光学、造岩矿物及其实验任务、指导集于一书。 2 加强了晶体光学性质与化学成分、晶体结构、光性方位的结合。 3 为了学科拓宽和互相交叉的需要,加强了晶体光学在宝石学上的 Ⅰ 应用。 4 全书共插图 300 余幅及彩图 7 版,醒目、直观、易懂。 5 各章节后附有习题、复习思考题,最后还附有总复习题,便于学生 对晶体光学中抽象概念的理解和提高记忆,并有助于自学。 6 全书共附有 9 张常见矿物光性特征表,简明、实用。 本书第一部分第二章由赵志丹、林培英编写,第三章由莫少龙、林培英 编写; 第二部分由林培英、田成编写;第三部分由田成、苏尚国、赵志丹编 写; 其他章节由林培英编写。全书彩版由莫少龙、罗照华、苏尚国提供;全 书最后由林培英统一修改定稿。初稿完成后,莫宣学教授审阅了全书并提出 了宝贵的修改意见; 该书也得到了岩矿教研室赵崇贺教授、罗照华教授、孙 岱生教授及物理教研室张自力副教授的大力支持与帮助;本教材的编写和出 版得到中国地质大学 北京副校长张汉凯教授、教务处处长王果胜教授、 地球科学与资源学院院长王训练教授的大力支持与关心。在此一并表示衷心 的感谢。 由于编写时间仓促和水平有限,书中定有遗误和不妥之处,敬请读者批 评指正。 编者 2005 年 6 月于中国地质大学 北京 Ⅱ 本 书 使 用 的 缩 写 符 号 一、晶体光学中常用的缩写符号 a、b、c 晶体结晶轴 相当于结晶学中的 X、Y、Z 轴 N、n 折射率、均质体折射率 No、Ne 一轴晶常光、非常光的折射率 也用作一轴晶光率体两个主轴的名称 Ng、Nm、Np 二轴晶最大、中等、最小主折射率 也用作二轴晶光率体三个主轴 的名称 │Ne- No│ 一轴晶最大双折射率 Δ Nmax Ng- Np 二轴晶最大双折射率 Δ Nmax Δ 、Δ N 双折射率 M 光轴出露点 晶面符号; [ ] 晶带; 单形符号、也可用作解理方向和解 理组数 ⊥ 垂直; ∥ 平行; ≠ 斜交 OA 光轴 O. A . P、AP 光轴面 2V 光轴角 2r 红光光轴角 2v 紫光光轴角 Bxa 两光轴所夹锐角等分线 Bxo 两光轴所夹钝角等分线 PP 下偏光振动方向 AA 上偏光振动方向 R 光程差 d 薄片厚度 λ 光波波长 、 2V、2VNg 正光性、正光符、正晶 - 、 - 2V、2VNp 负光性、负光符、负晶 二、造岩矿物常用代号 Ab钠长石 Act阳起石 Aeg霓石 Amp角闪石 Ⅲ An钙长石 And红柱石 Ap磷灰石 Aug普通辉石 Bi黑云石 Cc方解石 Chl绿泥石 Chr铬尖晶石 Cm铬铁石 Cpx单斜辉石 Di透辉石 Do白云石 En顽火辉石 Ep绿帘石 F萤石 Fa铁橄榄石 Fo镁橄榄石 Ga石榴子石 Gl蓝闪石 Hb普通角闪石 Hem赤铁矿 Hm钛铁矿 Hy紫苏辉石 Jd硬玉 Kf钾长石 Kp钾霞石 Ky蓝晶石 Lc白榴石 Ms白云母 Mt磁铁矿 Ne霞石 Ol橄榄石 Opx斜方辉石 Or正长石 Phl金云母 Pig易变辉石 Pl斜长石 Py辉石 Qz石英 Ru金红石 Sep蛇纹石 Sil矽线石 Sp尖晶石 Sub榍石 Tr透闪石 Tur电气石 Zr锆石 Ⅳ 目 录 前 言 Ⅰ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 本书使用的缩写符号 Ⅲ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一部分 晶 体 光 学 第一章 晶体光学基础 3⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 光的性质 3⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 自然光和偏光 5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 几何光学的三大定律 7⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 光波在均质体与非均质体中的传播特征 13⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 复习思考题 15⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二章 光率体与光性方位 17⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 光率体 17⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 光性方位 31⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 习题 35⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 复习思考题 36⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三章 偏光显微镜 38⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 偏光显微镜的构造 38⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 偏光显微镜的使用和校正 41⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 偏光显微镜的保养及使用守则 44⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 岩石薄片磨制方法简介 44⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 复习思考题 45⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四章 单偏光镜下的晶体光学性质 46⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 单偏光镜的装置及特点 46⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 矿物的形态 47⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 矿物的解理 48⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 矿物的颜色、多色性和吸收性 51⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 矿物的边缘、贝克线、糙面和突起 55⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 习题 60⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 复习思考题 61⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五章 正交偏光镜下的晶体光学性质 62⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 正交偏光镜的装置及特点 62⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 消光和消光现象 63⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 光的干涉现象和光程差 65⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅴ 第四节 干涉色及干涉色色谱表 70⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 补色法则和补色器 73⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 正交偏光镜下主要光学性质的观察和测定方法 76⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 习题 85⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 复习思考题 86⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六章 锥光镜下的晶体光学性质 87⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 锥光镜的装置及特点 87⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 一轴晶干涉图及光性正负的测定 89⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 二轴晶干涉图及光性正负的测定 97⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 透明矿物薄片的系统鉴定 109⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 晶体的旋光性 113⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 色散 114⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 小结 120⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 习题 120⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 复习思考题 121⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二部分 造 岩 矿 物 第七章 最主要的造岩矿物 125⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 橄榄石类 Olivine group 125⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 辉石类 Pyroxene group 128⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 角闪石类 Amphibole group 135⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 云母类 Mica group 140⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 长石类 Feldspar group 143⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 石英、方解石及霞石的光性特征 151⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附 1 常见宝石、矿物的光性方位图 154⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附 2 晶体光学与造岩矿物总复习题 167⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三部分 晶体光学实验 实验一 偏光显微镜使用,单偏光镜下观察矿物的解理、多色性 173⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验二 单偏光镜下观察矿物的突起、边缘、糙面及贝克线 178⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验三 正交偏光镜下观察矿物消光、干涉色级序 180⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验四 正交偏光镜下观察测定光率体椭圆半径名称、消光类型、 消光角、延性及双晶 183⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验五 锥光镜下观察 一轴晶矿物干涉图 188⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验六 锥光镜下观察 二轴晶矿物干涉图 191⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验七 透明矿物薄片的系统鉴定 194⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验八 光性矿物 一 197⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验九 光性矿物 二 199⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 实验十 斜长石成分鉴定 203⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅵ 附表一 常见的透明造岩矿物光性鉴定检索表 205⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附表二 常见矿物光性特征表 206⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附表三 常见矿物光性特征表 207⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附表四 常见矿物光性特征表 208⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附表五 常见矿物光性特征表 209⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附表六 常见矿物光性特征表 210⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附表七 常见矿物光性特征表 211⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附表八 常见矿物光性特征表 212⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附表九 常见不透明矿物光性特征表 213⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 主要参考文献 214⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅶ 第 一 部 分 晶 体 光 学 基 本 要 求 1. 熟练掌握光率体的类型及应用光率体解释晶体中各种光学现象。 2. 掌握各晶系的光性方位。 3. 了解偏光显微镜构造, 熟练掌握偏光显微镜使用方法。 4. 掌握折射定律所导出三点结论、解释贝克线成因、贝克线色散成 因、突起、糙面的成因。 5. 掌握判断突起正负及突起等级的方法。 6. 掌握消光、干涉原理、光程差公式、补色法则三大理论,解释黑十 字成因, 干涉色色圈的成因,测定光率体轴名,确定光性正负。 7. 掌握干涉色级序、正确判断干涉色升降,确定光率体切面长短轴的 位置。 8. 掌握消光角的测量步骤及表示方法。 9. 灵活判断矿物的定向切面,测定轴性和光性符号。 第 一 章 晶 体 光 学 基 础 第一节 光 的 性 质 光是什么 它在空间是怎样传播的 它在真空中的传播速度有多大 这些问题对晶体光学 来说都是非常重要的。关于光曾经有两种学说 一种是牛顿的微粒说, 认为光是沿直线高速传 播的粒子流; 另一种是惠更斯的波动说, 认为光是某种振动以波的形式向外传播。 直到 19 世纪后期随电磁学的发展,麦克斯韦和赫兹分别从理论和实验上证明了光的 电磁性,确定了光实际上是一种电磁波。电磁波是电磁振动 变化的电磁场在空间的 传播。光波和无线电波一样,都是电磁波,它们在真空中的传播速度均为 c 3 10 8 m/s, 即每秒 30 万千米。 到了 20 世纪初,许多有关光和物质相互作用的现象,如光电效应,不能用波动说来 解释,这促使爱因斯坦在 1905 年提出了光子假说,光子假说成功地解释了光电效应 把 光当作一种电磁波,又把光看作由光子组成,由此认识到光既有波动性,又具粒子性,得 出光具有波粒二象性的结论。光的粒子性可以用光子能量 E和动量 P来表征,光 的波动性则用电磁波的频率 f和波长 λ 来描述。 光作为电磁波,可以用两个相互垂直振动的电矢量与磁矢量来表示,电磁波的传播方 向为 E 和 H 的垂线方向 C 图 11 ,光学中一般只考虑电矢量的振动 因为人眼对电矢 量敏感 ,称光振动。 图 11 电磁波的电矢量和磁矢量与传播方向的关系 据 Wahlstrom, 1979 电磁波的振动方向与传播方向互相垂直,即电磁波是横波,故光波亦是横波 图 1 2 。光波是横波,在晶体光学中不少现象 单偏光、正交偏光、干涉都与此相关。 3 图 12 自然光的振动方向与传播方向相互垂直 电磁波谱具有一个广阔的区段,根据其波长大小可依次划分为 无线电波、红外线、 可见光、紫外线、X 射线、γ射线、宇宙射线 图 13 。 图 13 电磁波谱与可见光谱波长比较 据 Bloss, 1961 从电磁波谱中可看出,可见光谱在电磁波谱中是一个很窄的区段,其波长范围大致为 390 ～ 770 nm,波长由短至长相应的颜色次序为紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红七色。通 常所见的“白光”没有一定的波长,它是七色光按比例组成的混合光。每一种单色光都 有其特定波长,如 580 nm 的光是一种黄光 图 13 。 从一个颜色到另一个颜色,并不是截然分开的,而是逐渐过渡的,因此这些波段分法 只是一个大概的数字。如果光谱中各个波长的强度大致相等,那么我们看见的就是白光, 如太阳光。 描述光波的基本物理量有光速、波长、周期、频率和振幅。 4 光速 Velocity 真空中光速用 c表示,是一个常数 c 3 10 8 m/s。 在介质中光速 V与介质折射率 N 有关 V c N 。 波长 Wavelength 波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿光的传播方向,两 个相邻的同位相点 如波峰或波谷间的距离,以 λ表示。波长等于光速和周期的乘积, 即 λ c T。波长单位通常用纳米 nm或埃 表示。它们与其他长度单位的换算 关系为 1 nm 10 - 3 μ m 10 - 6 mm 10 - 7 cm 10。 周期 Periods 波源完成一次振动所需的时间称为周期,以 T 表示。 图 14 光谱以三种数字方式标志颜色 据 拿骚 , 1991 频率 Frequency 波源在 1 秒内振动的 次数称为频率,以 f 表示 f c/λ 。例如紫 外线波长 λ3000,其频率 f 3 10 18 / 3 10 3 Hz 1 10 15 Hz。 振幅 Amplitude 质点在振动方向上距 平衡位置 的最大位 移距离,称 为振幅,以 A 表示。 位相 Phase 是描述物体振动状态的物 理量,它与物体离开波源的距离及时间有关 Φ2π t T - x λ o o 初相位 与波源有关 ; x 距离; t 时间。 位相 差 Phase difference 是 指两 束波 长、振幅、传播方向相同的相干波到达空间某 点时,两光波的位相之差。 另外,光谱颜色除用波长表示外,还可用 频率及能量表示,例如黑色火钳放在火中,随 温度升高,它的颜色便会发生变化,从黑色经历红与黄到蓝白色,这个序列必然相应于光 能的增加。物质越热,物体中的原子振动能就越大,能量也就越高,有相应的光的频率与 之对应。这种对应关系表示在图 14 中。图 14 说明了光谱以许多方式中的三种方式来 标志颜色 频率,单位为赫兹 Hz ;波长,单位为纳米 nm ;能量,单位为电子伏 eV 。波长和能量成反比,即能量越大,波长越短。 第二节 自然光和偏光 一、自然光、偏光 光是一种横波,它的振动方向与传播方向是互相垂直的。根据光波振动的特点,把光 分为自然光和偏光。 5 1. 自然光 Light 自然光是指直接由光源发出的光,如太阳光、灯光等。自然光的光波振动方向在垂直 于光波传播方向的平面内,做任何方向等振幅的振动 图 15A 。 图 15 自然光 A和偏振光 B的振动方向特点示意图 2. 偏光 Polarizing light 自然光经过反射、折射、双折射或选择性吸收等作用后,可以转变为只在一个方向上 振动的光波,称为平面偏振光或偏光 图 15B,图 16 。偏光振动方向与传播方向所 构成的平面称为振动面。自然光转变为偏光的作用称为偏光化作用 图 16 。 图 16 自然光 A通过偏光片 B变成了偏光 C 晶体光学研究中主要是应用偏光,研究使用的仪器主要是偏光显微镜。被限制在一个 平面上振动的光束也可称为平面偏光,偏光显微镜的设计就是建立在这个概念基础上的, 它装有把自然光变为偏振光装置的下偏光镜 称起偏器 ,它主要是利用双折射 尼科尔 棱镜或选择性吸收 偏光片产生的偏振光。 二、获取平面偏光常见的两种方法 在垂直光波传播方向的平面内,光振动限于某一固定方向,则这种光称为“线偏振 光” 或“平面偏振光” 。获取平 面偏光的 常见方法 有 尼 科尔棱镜 法、偏振片 偏光 片法。 1. 尼科尔棱镜法 该方法是由英国物理学家尼科尔 William Nicol, 1768 ～ 1851于 1828 年发明的,是 将长度约为宽度 3 倍的透明的冰洲石晶体沿对角线方向锯开后磨光,再用加拿大树胶粘合 制成。自然光从镜的一端射入后,分成振动方向互相垂直的两束偏光,即常光 No和 非常光 Ne 其中常光 No 1. 658 ,被加拿大树胶 N 1. 54的表面全反射 全反 射后偏向一边,被涂黑的侧面吸收 ,非常光 Ne 1. 486仍沿原方向从镜内射出,是 平面偏光,见图 17。 6 图 17 尼科尔棱镜 优点 获得偏光较纯净。 缺点 冰洲石较易受振动,而产生裂纹,引起光的反射、折射或受温差变化而脱胶。 2. 偏振片 偏光片法 偏振片是一种使自然光变为“线偏振光” 的人造透明薄片。一般用具有网状分子结 构的高分子化合物 聚乙烯醇薄膜作为片基,将这种薄膜浸染在碘溶液中,经硼酸水溶 液还原稳定后,再将其单向拉伸 4 ～ 5 倍以上而制成。拉伸后聚乙烯醇薄膜的分子便由网 状结构变为线性结构,碘分子被吸附在单向排列的聚乙烯醇分子上,而使光只能沿平行线 状结构的方向通过而具有起偏或检偏性能,这种偏振片称为 H偏振片。 优点 人造偏振片工艺简单,可以大面积拉伸,偏振度高达 99. 5 ,又适用整个可 见光范围,装置仪器简便,价格较便宜。 缺点 不能受潮,容易老化,发生脱偏光化现象。 第三节 几何光学的三大定律 抛开光的波动性质,仅以光的直线传播性质为基础,研究光在透明介质中的传播问题 的光学称为几何光学。几何光学的三大定律为 ①光的直线传播定律; ②光的反射定律; ③光的折射定律。它们是各种光学仪器设计的理论基础,也是研究晶体光学重要的理论 基础。 一、光的直线传播定律 光在同一介质中是直线传播的,称为光的直线传播定律。例如 阳光照进屋里,夜间 手电筒的亮光,其传播路线都是直的。这些现象说明,光在空气里是直线传播的 像空 气这样能够传播 光的物 质称光 的介 质 ,实 验表明,光 在水、玻璃 介质中 也是 直线传 播的。 光在真空中 或空气中光速为 3. 0 10 8 m/s,光在水中的速度约为真空中的 3 /4, 而光在玻璃中的速度比在水中小,这表明光在不同介质中的传播速度是不同的。 光在其中传播速度比较快的介质称为光疏介质,传播速度比较慢的介质称为光密介 质。光疏、光密是相对的,例如,水相对空气来说为光密介质,而水相对玻璃或晶体则为 光疏介质。一般空气为低密度、低折射率、高光速的,而矿物则为高密度、高折射率、低 7 光速的。 二、光的反射及反射定律 1. 反射 Reflection的概念 光从一种介质射入另一种介质时,在光滑界面上,如果部分光仍回到原介质中,这种 现象称为光的反射。其光路是可逆的。 2. 反射定律 光的反射遵循反射定律 图 18A ,即①反射光线位于入射光线和界面的法线所决 定的平面内; ②反射线和入射线分别在法线的两侧; ③反射角 θ 等于入射角 i。 三、光的折射及折射定律 1. 折射 Refraction的概念 光线从一种介质进入到另一种介质,在界面处传播的方向会发生改变,即入射光线和 折射光线不在一条直线上,这种现象称为光的折射。例如 筷子放在盛水的杯子中,看起 来筷子不是直的,而是折断的。 光学上将两种介质分界面的垂线称法线,入射光线与法线的夹角称入射角,以 i 表 示; 折射光线与法线的夹角称折射角,以 r 表示。当光发生折射时,入射角 i 与折射角 r 不相等 图 18B、C、D 。 图 18 光的反射、全反射及折射现象 2. 折射定律 光的折射遵循折射定律,即①折射线在入射线与法线所决定的平面内; ②折射线和入 射线分别在法线的两侧; ③两介质一定时,入射角 i 的正弦与折射角 r 的正弦之比为一常 数 N,N 称为折射介质 2 对入射介质 1 的相对折射率,即 N sini sinr N2 N1 。 四、折射率 1. 折射率 Refractive index的概念 光在两种不同介质中速度的比值叫做相对折射率 N N V1 V2 N2 N1 。 光波在真空中的传播速度 c和光波在折射介质中的传播速度 Vr的比值称绝对 8 折射率,简称折射率。一般用 N 表示 N c Vr 。 折射率也可以用入射角和折射角的正弦之比来确定,设光线从空气射向介质 矿物 晶体的入射角为 i,在介质内的折射角为 r,则介质的折射率 N sini sinr。 光在真空中的传播速度最大,c 3 10 8 m/s,即每秒 30 万千米,真空折射率为 1。 由于光在空气中的传播速度与光在真空中传播速度几乎相等,故通常可将空气的折射率视 为 1 严格地说,空气的折射率应为 1. 00029 。而光在其他各种液体和固体介质中的传播 速度总小于真空中的传播速度,故晶体的折射率总大于 1。 实验证明,折射率反映了光在介质中的传播速度,传播速度越大 越快 ,折射率越 小; 反之,传播速度越小 越慢 ,折射率越大。例如,宝石的折射率就是光在空气中的 传播速度与在宝石中的传播速度的比值。已知光在空气中的传播速度为 3. 0 10 5 km/s; 而在钻石中的传播速度为 123967 km/s,在水晶中的传播速度为 193548 km/s,在尖晶石 中的传播速度为 174419 km/s,那么,钻石、水晶、尖晶石的折射率分别为 N钻 石 3. 0 10 5 /123967 2. 42 N水 晶 3. 0 10 5 /193548 1. 55 N尖晶 石 3. 0 10 5 /174419 1. 72 对于某一宝石矿物来说,其折射率是一个固定的常数,而不同的宝石矿物的折射率不 同,根据实验测定的几种物质的折射率列于表 1 - 1。由于宝石矿物折射率的大小反映了 它的化学成分与晶体结构,所以折射率对宝石矿物的鉴定具有重要的意义。 表 11 实验测定几种物质的折射率 物 质真空空 气水萤 石玻璃石 英软玉翡翠尖 晶石镁铝榴 石钻石 折射率11 . 000312 2. 331z z. 431 . 501 . 551R R. 621š š. 661 . 721| |. 742. 42 造岩矿物、宝石矿物折射率的大小与其化学成分、晶体结构密切相关,如硅酸盐矿物 的折射率随化学成分 Ca、Ti、Cr、Fe、Mn 含量的增多而增大; 而随晶体结构的紧密程度 降低、光的传播速度增大而减小。由岛状的橄榄石→单链辉石→双链的角闪石→层状的云 母→架状的长石,其折射率是逐渐降低的。所以折射率对造岩矿物、宝石矿物的鉴定是具 有重大意义的。 大多数透明矿物的折射率介于 1. 3 ～ 2. 4 之间,在岩石薄片中,矿物折射率相对大小, 可以通过糙面、突起、贝克线及洛多奇尼夫色散效应等现象的观察进行判断。另外均质体 与非均质体、一轴晶与二轴晶、光性正负、双折射率、光轴角等光学常数的测定都与折射 率值有关。均质矿物只有一个折射率 N,非均质矿物的折射率随方向变化而不同,一轴晶 矿物有两个主折射率 Ne和 No。二轴晶矿物有三个主折射率 Ng、Nm和 Np。一般所说的折 射率是指对黄光波长的折射率,也可近似看作相当于白光平均波长的折射率。从以上可知 折射率大小与化学成分、晶体结构、传播速度及波长等四个因素都密切相关。 2. 折射率与临界角的关系 临界角 当光从光密介质射入光疏介质时,折射角等于 90 时对应的入射角称为临 9 界角。 全反射 必须具备两个条件 ①当光从光密介质射入光疏介质时,②当入射角大于临 界角时,就会发生全反射,即入射光全部返回光密介质 图 18D 。 从折射率的定义可知,光在介质中的传播速度越大 越快 ,折射率越小,临界角越 大; 反之,传播速度越小 越慢 ,折射率越大,临界角越小 图 19 。 图 19 宝石折射率 N与临界角 φ 的关系图解 据阿 雷姆 , 1988 临 界角按 下列 公式计 算临 界角 arcsin 1 /N ,式 中 N 为 折射 率。这 个图 解对于 宝石工 艺师 确定宝 石底 侧的 主要 翻光面 角度非 常有 用。当 底侧 主要翻 光面 的角度 略大于 临界 角时能 获得 最好的 多面 形宝石 光泽。 任何 一 种宝 石原料 都可 以利用 这个图 解在 切磨出 底侧 翻光面 之前 ,在任 何一个 磨光 面上迅 速地 测定出 折射 率 3. 临界角的计算方法 根据折射定律 N1sini N2sinr ,当入射角为临界角 φ ,其折射角必为 90 ,而 sin90 1,因此 N1sinφ N2sin90,故 sinφ N2 N1 。只要知道某矿物的折射率便可求出临 界角。例如 钻石 sinφ 1 /2. 42 0. 41,则 φ 24 20′ ; 水晶 sinφ 1 /1. 55 0. 65,则 φ 40 50′ 。如宝石鉴定用的折射仪就是建立在全内反射原理的基础上的。 钻石折射率大,临界角小,全反射范围宽,光容易产生全反射,反射量大,所以钻石 打磨后可显示出极强的金刚光泽; 而水晶折射率小,临界角较大,全反射范围窄,打磨后 它的火彩与光泽就不如钻石。由于折射率对宝石来说是一个常数,因而临界角也是一个常 数,它是无法改变的,唯一能改变的是光线从宝石内进入空气前的入射角。 如果我们已经知道了宝石的临界角,按照一定角度切割成小面型的宝石,这一特定角 01 图 110 光在宝石中的全内反射 图 111 切磨角度的大小对全反射的影响 度能使从宝石顶部入射的光线经底部小面的一系列反射,再从顶部穿透出。因为小面型宝 石的切磨角度是按照临界角的要求设计的,所以,大部分光线在宝石内部作全反射后又从 顶部射出 图 110 ,这样就增加了宝石的明亮程度,这种效应叫做亮度。一粒切磨得 好的钻石之所以具有很强的亮度,就是采用了合适的切磨角度,使进入宝石的大部分光线 经全内反射后射到观察者的眼里。如果小面的角度切磨得不对,则进入宝石内部的光线因 入射角小于临界角而不能发生全内反射,这样,光线将从底部穿透出去,这种现象叫做漏 光。图 111 表示了漏光现象的两种情况,即切磨角度太大或太小、下部太深或太浅都会 出现漏光。 牛顿 Isaac Newton, 1642 ～ 1727是阐明白光由 7 种不同颜色组成的第一位科学家。 这 7 种颜色大致相应的波长范围 是分光镜常用作鉴定宝石的波长范围,范围与 Bloss, 1961 年划分的范围略有不同如下 红⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯700 ～ 630nm 橙⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯630 ～ 590nm 黄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯590 ～ 550nm 绿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯550 ～ 490nm 蓝⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯490 ～ 440nm 靛 紫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯440 ～ 400nm 11 牛顿将一束白光通过一个玻璃棱镜,白光便会分解成它的组成波长的七种色光,从而 出现光谱色 彩虹 ,他也反证了这种效应,把 7 种光谱色按等量涂在圆盘上,当快速转 动这个圆盘时,这 7 种颜色重新汇合成白光。 图 112 白光经过一个棱柱体发生色散图 113 宝石色散 白光分解成七色光称色散,也称火彩 图 112,图 113 。波长较长的红光的折射 率较小,波长较短的紫光的折射率较大。色散率是根据特定波长的紫光 430. 8nm与特 定波长的红光 686. 7 nm的折射率差值来表示的。宝石的色散常称为宝石的“火” ,例 如 钻石的色散就 是利用上 述方法计 算出来的,D N钻 石 紫- N钻石 红 2. 451 - 2. 407 0. 044。钻石的色散率比所有天然无色宝石都高,在光的照射下,发出七色虹彩的闪光, 使色散产生的色光增加了其内在的美,使之显得华贵而高雅。 另外,临界角对宝石设计师与宝石工匠是很重要的,他们常利用临界角的知识决定采 用何种比例和角度来加工一粒小面型宝石,才能使之产生理想的效果。当光线正好以临界 角离开宝石时,它的色散最强,这样佩戴在手上的宝石,当手在晃动时,入射光的方向也 随之改变,便能显示出珠光宝气、光彩夺目。又如亮度,从顶部入射光线,在宝石内部作 全内反射从顶部射出,这样增加了宝石的明亮程度。 一些常见宝石矿物的临界角列