ELEMENTY OPTYKI I MIKROSKOPIA OPTYCZNA

Światło porusza się po liniach prostych a wibracje fali elektromagne-

tycznej są prostopadłe do tych linii (do kierunku rozchodzenia się).

f = częstotliwość

(ilość fal mijających pewien punkt)

λ = długość fali

f

.

λ = prędkość fal

Pozycja światła widzialnego w spektrum

fal elektromagnetycznych

Długość fali światła widzialnego określa jego barwę, od ok. 700 Å

(czerwone) do ok. 4000 Å (fioletowe). Światło białe jest mieszaniną fal

wszystkich długości. Światło o określonej długości fali nazywane jest

ŚWATŁEM MONOCHROMATYCZNYM (czyli jednobarwnym).

Gdy światło z rzadkiego ośrodka pada na

ośrodek gęstszy część się odbija (kąt

padania

p

równy jest kątowi odbicia

o

i

leżą w jednej płaszczyźnie) a część ulega

załamaniu (kąt załamania

z

zależy od kąta padania i od stosunku

prędkości rozchodzenia się światła w obu ośrodkach).

Umownie prędkość światła w próżni traktuje się jako odniesienie v

o

= 1.

W powietrzu prędkość światła jest niemal identyczna v

p

= 0,9997 = 1.

Współczynnik załamania światła n jest cechą fizyczną charakterystyczną dla każdej

substancji wynosi: n = v

p

/v = 1/v (odwrotność prędkości rozchodzenia się światła w

tej substancji). Może być wyznaczony z pomiaru kąta padania i załamania n =

sin

p/sinz.

Częstotliwość światła jest stała, a więc jego prędkość zależy od długości fali

v = λ

.

f f = const => λ ~ v, gdy λ rośnie to v rośnie (n = 1/v maleje)

Czerwone światło ma dłuższą falę od fioletowego a więc i większą prędkość w danym

ośrodku: współczynnik załamania światła czerwonego n

c

jest

więc mniejszy niż fioletowego n

f

dla tej samej substancji. Fakt,

że kryształy mają różne współczynniki załamania dla różnych

długości fali nazywa się DYSPERSJĄ. Dlatego do wyznaczania n

używa się światła monochromatycznego (najczęściej światła

żółtego emitowanego przez podgrzane atomy sodu Na).

POLARYZACJA ŚWIATŁA

Światło porusza się po liniach prostych a wibracje fali

elektromagnetycznej są prostopadłe do tych linii (do

kierunku rozchodzenia się). W przypadku światła

rozchodzącego się w próżni czy w powietrzu wibracje te

zachodzą we wszystkich kierunkach.

Światło spolaryzowane (liniowo) to światło, w którym

wibracje fali elektromagnetycznej zachodzą tylko w

jednej określonej płaszczyźnie. Jest ono nierozróżnialne

dla nieuzbrojonego ludzkiego oka. Polaryzację można

stwierdzić tylko za pomocą drugiego polaryzatora (analizatora).

Otrzymywanie światła spolaryzowanego: szczypce turmalinowe, pryzmat

Nicola, polaryzatory syntetyczne (patrz Min. Ogólna str. 203-210).

Światło ulega też polaryzacji podczas odbicia od powierzchni płaskich i

przy załamaniu podczas przechodzeniu przez kryształy optycznie

anizotropowe.

Można to zaobserwować badając obraz punktu widzianego przez kryształ

kalcytu:

- w wyniku podwójnego załamania światła przez

kryształ widać dwa puknty.

- przy obrocie kryształu jeden z punktów obraca się

wokół drugiego, który pozostaje nieruchomy

- dopiero patrząc przez polaryzator możemy

stwierdzić, że światło przechodzące przez kryształ

(obraz docierający do naszego oka) jest

spolaryzowane

Podział ciał ze względu na własności optyczne

Patrz Min. Ogólna 210-236.

Ciała izotropowe optycznie są optycznie jednorodne i światło

porusza się w nich z tą samą prędkością niezależnie od

kierunku. Przykładem są gazy, większość cieczy, szkło i inne

substancje amorficzne (niekrystaliczne) oraz kryształy z układu

regularnego. Mają one jeden współczynnik załamania światła n.

W ciałach optycznie anizotropowych (wszystkich substancjach

krystalicznych krystalizujących w innym od regularnego

układzie krystalograficznym) prędkość światła zależy od

kierunku i mają one dwa (kryształy jednoosiowe) lub trzy

(kryształy dwuoosiowe) skrajne współczynniki n w różnych

kierunkach.

nieprzeźroczyste

przeźroczyste

izotropowe optycznie

 nie wykazują podwójnego załamania
światła (wykazują pojedyncze załamanie)
 światło rozchodzi się w nich we wszyst-
kich kierunkach z tą samą prędkością
 ciała amorficzne (o nieuporządkowanej
budowie wewnętrznej) i kryształy z
układu regularnego

anizotropowe optycznie

 wykazują podwójne załamanie
światła
 prędkość rozchodzenia się
światła zależy od kierunku w
krysztale
 ciała krystaliczne z pozostałych
układów

jednoosiowe

 mają jeden specyficzny
kierunek w którym nie
wykazują podwójnego
załamania światła
 kryształy z układów:
trygonalnego,
tetragonalnego i
heksagonalnego

dwuosiowe

 mają dwa specyficzne
kierunki w których nie
wykazują podwójnego
załamania światła
 kryształy z układów:
jednoskośnego,
trójskośnego i
rombowego

BADANIA MIKROSKOPOWE

Mikroskop polaryzacyjny jest wciąż jednym z podstawowych

instrumentów badawczych w mineralogii i petrografii. Pozwala

m.in. na identyfikację minerałów i ich asocjacji oraz na

uzyskanie całej gamy informacji na temat ich genezy, przemian,

chemizmu, struktury, kolejności powstawania itp. Jest przy tym

metodą relatywnie tanią, o prostej standardowej preparatyce i

swoistym pięknie obrazu mikroskopowego.

Mikroskop polaryzacyjny tym różni się od mikroskopów

używanych w innych dziedzinach nauki, że wyposażony jest w

dwa polaryzatory i obrotowy stolik. Preparat umieszczony na

stoliku oświetlony jest spolaryzowanym światłem (polaryzator

jest zaraz za źródłem światła), które poprzez obiektyw i okular

trafia do oka. Między obiektywem a okularem znajduje się drugi

polaryzator, tzw. analizator, który jest ruchomy – może być

wprowadzany lub usuwany z układu optycznego. Układ optyczny

pod stolikiem to kondensor, a między obiektywem a okularem

znajdują się jeszcze ruchoma soczewka Bertranda oraz otwory

do wprowadzania płytek pomocniczych. Powiększenie

mikroskopu wylicza się mnożąc powiększenie okularu i

obiektywu (przybliżone) lub przez pomiar specjalnej płytki z

podziałką.

BADANIA MIKROSKOPOWE

Tok badań mikroskopowych w świetle przechodzącym obejmuje:

I. obserwacje w świetle równoległym przy jednym nikolu (polaryzatorze, 1N);

II. obserwacje w świetle równoległym przy skrzyżowanych nikolach (XN);

III.

obserwacje w świetle zbieżnym

Mineralogia Ogólna str. 255 – 287 oraz 276 - 300

Materiały do Ćwiczeń z Mineralogii str. 133-140

Przed rozpoczęciem pracy należy sprawdzić poprawne ustawienie

mikroskopu:

a) skrzyżowanie nikoli: włączenie analizatora przy braku jakiegokolwiek

preparatu na stoliku powinno spowodować całkowite wygaszenie pola

widzenia;

b) wycentrowanie obiektywu: dowolny obiekt na osi krzyża nie powinien

zmieniać położenia przy obrocie stolika;

c) orientacja płaszczyzn polaryzacji z nitkami krzyża: przy jednym nikolu

polaryzator powinien ściemniać pleochroiczny biotyt gdy jego

płaszczyzny łupliwości pokrywają się z nitkami krzyża.

Badania rozpoczyna się przy najmniejszym powiększeniu i przy jednym

nikolu. Pozwala to na określenie względnych wielkości ziarn,

przejrzystości, barwy (ew. pleochroizmu), ocenę współczynnika

załamania światła (np. przez określenie reliefu czy metodą linii Becke’go),

łupliwości, wrostków itp.

Przy skrzyżowanych nikolach odróżnia się minerały optycznie

izotropowe od anizotropowych, ocenia się dwójłomność według barw

interferencyjnych, określa się rodzaj i kąt wygaszania światła (np. proste,

ukośne, faliste itp.), zbliźniaczenia, budowę zonalną czy klepsydrową itp.

Relief to cecha minerału obserwowana przy jednym nikolu polegająca

na tym, że widoczność konturów ziarna zależy od różnicy współczyn-

ników załamania światła minerału i otoczenia. Jest to cecha względna.

Gdy minerał ma wyraźnie wyższy współczynnik n od otoczenia (np.

granat, cyrkon, tytanit) to ma wyraźne, grube kontury i nierówności na

powierzchni i sprawia wrażenie wystającego ponad powierzchnię

preparatu (relief dodatni, jaszczurowata powierzchnia). Gdy minerał ma

wyraźnie niższy n od otoczenia (np. opal, fluoryt, nefelin) to ma relief

ujemny: wydaje się być wklęsłą dziurą w preparacie. Kwarc i skalenie

mają relief płaski: ich kontury są niemal niewidoczne przy 1N.

Pomiar współczynnika załamania światła metodą linii Becke’go. Kiedy

rozstraja się ostrość widzenia granic ziarna przez zwiększanie odległości

obiektywu od preparatu (np. przez opuszczanie stolika) jasna linia zwana

„linią Becke’go” przesuwa się od granicy ziarna do ośrodka o wyższym

współczynniku załamania światła n.

Pleochroizm (wielobarwność) widoczny jest tylko w świetle spolaryzo-

wanym liniowo (przy jednym nikolu). Niektóre barwne minerały anizotro-

powe wykazują pleochroizm, co objawia się zmianą barwy lub jej

intensywności PRZY OBROCIE STOLIKA MIKROSKOPU PRZY JEDNYM

NIKOLU (1N). Jest to efekt różnej absorpcji pewnych długości fali światła

spolaryzowanego w zależności od kierunku polaryzacji względem

kierunków krystalograficznych.

DWÓJŁOMNOŚĆ TO ZDOLNOŚĆ KRYSZTAŁÓW OPTYCZNIE

ANIZOTROPOWYCH DO PODWÓJNEGO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA.

Ilościową miarą dwójłomności jest różnica skrajnych współczynników

załamania światła ∆ = n

max

– n

min

. Mikroskopia optyczna pozwala na

bezpośrednia ocenę dwójłomności bez pomiarów współczynników

załamania światła. Dlatego dwójłomność jest tak użyteczną cechą

identyfikacyjną minerałów badanych mikroskopowo.

Światło mikroskopowe (liniowo spolaryzowane) po przejściu przez ciało

anizotropowe optycznie ulega pojedynczemu załamaniu i jest nadal

spolaryzowane w płaszczyźnie narzuconej przez polaryzator: gdy

skrzyżujemy nikole nastąpi całkowite wygaszenie światła.

Światło mikroskopowe (liniowo spolaryzowane) po przejściu przez ciało

anizotropowe optycznie ulega podwójnemu załamaniu, w wyniku czego

powstają dwa promienie spolaryzowane linowo w płaszczyznach

wzajemnie do siebie prostopadłych. Ponadto jeden z promieni jest

opóźniony w fazie do drugiego w wyniku różnicy dróg optycznych. Gdy

skrzyżujemy nikole następuje interferencja obu promieni i zjawiska

barwne zwane barwami interferencyjnymi. Dwójłomność minerałów

anizotropowych oceniana jest właśnie z wysokości barw

interferencyjnych w obrazie mikroskopowym. Wysokość barw

interferencyjnych zależy od: 1) grubości preparatu; 2) kąta wycięcia w

stosunku do osi optycznych; 3) dwójłomności minerału. Ponieważ

grubość preparatu jest zawsze taka sama (standardowo ok. 0.025 mm) a

kąt wycięcia ma niewielki wpływ, wysokość barw interferencyjnych

pozwala oszacować dwójłomność przez porównanie z diagramem barw.

Schemat ogólny opisu mikroskopowego (do indywidualnego rozbudowania)

i przykłady niektórych określeń:

NAZWA MINERAŁU

Badana cecha

Opis

Rysunek

1N

- barwa

- relief

- pokrój

- łupliwość

- inne cechy

- bezbarwny, barwny (jaka barwa), pleochroiczny

- dodatni, ujemny, płaski

- minerał automorficzny, hipautomorficzny,

ksenomorficzny, o pokroju izometrycznym,

wydłużonym, w przekroju heksagonalny,

kwadratowy itp.

- brak, niewyraźna, wyraźna, jednokierunkowa,

dwukierunkowa pod kątem ..... stopni,

- np. obwódki pleochroiczne, zmętnienia, spękania,

ślady przemian czy wietrzenia, zmiana reliefu z

obrotem stolika itp.

XN

- izotropowy

czy

anizotropowy

- rodzaj

wygaszania

- kąt

wygaszania

- inne cechy

- izotropowy

(na tym się kończy opis minerału izotropowego)

- anizotropowy, ocena rzędu barw interferen-

cyjnych i dwójłomności według diagramu barw

- wygaszanie proste, ukośne, symetryczne,

faliste...

- wygaszanie pod kątem .... stopni

- np. zbliźniaczenia (podwójne, polisyntetyczne...),

budowa pasowa (zonalna), budowa klepsydrowa,

serycytyzacja, pertyty, siatka mikroklinowa