Ориентировка оптической индикатрисы в кристаллах различных сингоний

Под ориентировкой оптической индикатрисы понимается взаим­ное положение осей индикатрисы и кристаллографических осей. Ориентировка индикатрисы в кристаллах различных сингоний различна и поэтому является одной из важнейших констант ми­нерала.

Ориентировка индикатрисы в кристаллах кубической сингоний произвольна, так как такие кристаллы не имеют единичных на­правлений. Ориентировка индикатрисы в кристаллах средних син­гоний однотипна. Ось вращения индикатрисы (ее оптическая ось) всегда совпадает с единичным направлением в кристалле L₄, L₃> L₆, Ориентировка индикатрисы кристаллов низших сингоний зави­сит от симметрии кристалла.

В кристаллах ромбической сингоний кристаллографические оси а, Ь, с взаимно перпендикулярны, а = р = у = 90°. Главные оси индикатрисы n_g, п_т, п_р совпадают с кристаллографическими осями (рис. 8, а); взаимное расположение осей индикатрисы и кристал­лографических осей индивидуально для каждого минерала и является его константой.

В кристаллах моноклинной сингонии углы между кристалло­графическими осями а=у = 90°фф. Вторая кристаллографическая ось Ь перпендикулярна к плоскости, в которой лежат оси а и с. Одна из осей индикатрисы (чаще п_т) совпадает с осью 6; две другие образуют с кристаллографическими осями а и с некоторые углы (рис. 8,6). Для каждого моноклинного минерала харак­терно наименование оси индикатрисы, совпадающей с осью Ь, и величины углов между осью с и осями n_g или п_р.

Рис. 8. Характер ориентировки оптической индикатрисы в кристаллах низших

сингоиий: а — ромбической, б — моноклинной, з — триклннной

В кристаллах триклинной сингонии все углы между кристал­лографическими осями не равны между собой а^р^у^ЭО⁰. Оси симметрии отсутствуют. Все направления единичны. Ни одна из осей индикатрисы в общем случае не совпадает с кристаллогра фическими осями (рис 8, в). Величины углов между кристалло­графическими осями и ближайшими к ним осями индикатрисы являются индивидуатьной особенностью каждого минерала три­клинной сингонии

Правило индикатрисы

В. Н Лодочников предложил так называемое правило инди­катрисы, которое помогает понять оптические свойства минерала в различных сечениях Сущность правила заключается в следую­щем: «Оптические свойства минерала в наблюдаемом разрезе характеризуются центральным сечением индикатрисы, перпенди­кулярным к направлению светового луча». Здесь говорится о цен­тральном сечении, так как в параллельных сечениях кристалла все свойства одинаковы и, следовательно, любую точку кристалла можно принимать за центр индикатрисы.

Зная форму и ориентировку индикатрисы и применяя правило индикатрисы, легко разобраться в оптических свойствах разных сечений минерала Так, если световой л}ч идет через изотропный минерал или в толь оптической оси анизотропного минерала, то 20

пй

он встретит на своем пути круговое сечение индикатрисы, харак­теризующееся постоянством показателя преломления и, следо­вательно, отсутствием двойного лучепреломления. Луч, идущий перпендикулярно к сечению индикатрисы, расположенному вдоль оптической оси одноосного минерала или параллельно плоскости оптических осей двуосного минерала, встретит эллиптическое се­чение индикатрисы, оси симметрии которого являются единствен­ными направлениями, пропускающими колебания световых волн, а величины полуосей пропорцио­нальны показателям преломления для данного направления. В этом сечении наблюдается максималь­ное двупреломление минерала. Все промежуточные косые разрезы ха­рактеризуются эллиптическими се­чениями индикатрисы, причем для минералов средних сингонии в таких разрезах один показатель прелом­ления имеет всегда постоянное зна­чение «₀; другой — переменное зна­чение п_е; для минералов низших сингонии оба радиуса-вектора слу­чайного сечения имеют перемен-и обозначаются

яые значения

и п_р.

Рис. 9. Иллюстрация к правилу индикатрисы на примере одноос­ного оптически положительного кристалла.

На рис. 9 показаны для одноос­ного оптически положительного кри­сталла сечения индикатрисы, кото­рые встречают различно направ­ленные лучи Si, S₂, S₃.

Необходимо понять сущность индикатрисы, ее геометрию, ориентировку в кристаллах различных сингонии и уметь применять правило индикатрисы, так как все это является основой овладения микроскопическим методом исследо­вания.

Глава II ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МИКРОСКОП

Поляризационный микроскоп отличается от обычною биологи­ческого микроскопа наличием специальных оптических приборов, преобразующих обыкновенный свет в плоскополяризованный.

Призма Николя

В микроскопической практике широкое применение получил поляризующий прибор, названный по имени его изобретателя английского физика У Николя (1828 г) призмой Николя, или

просто николем. В основу конструкции поляризующих устройств положено свойство анизотропных кристаллов поляризовать про­ходящий через них свет.

Канадский далияам П=!,537

Рис. 10. Ход лучей в призме Ни­коля.

Призма Николя представ­ляет собой кристалл бесцвет­ного прозрачного кальцита (исландского шпата), распи­ленный под определенным уг­лом к граням и затем склеен­ный канадским бальзамом *. Луч естественного света S (рис. 10), достигнув нижней поверхности призмы Николя, разлагается кристаллом каль­цита на два луча — обыкно­венный S₀ и необыкновенный S_e с показателями преломле­ния соответственно п₀= 1,658 и п_е =1,536. Волны луча S₀ (линия с точками) совершают колебания в плоскости, пер­пендикулярной к чертежу; вол­ны луча S_e колеблются в пло­скости чертежа (линия с чер­точками). Так как показатель преломления кристалла для направления колебаний волн луча S₀ больше показателя преломления бальзама, а угол падения при данном направле­нии плоскости распила боль­ше предельного, то, дойдя до плоскости распила, луч S₀ по­лучит полное внутреннее отра­жение, будет отброшен на бо­ковую сторону призмы, где и погасится черной оправой ни­коля. В итоге сила света уменьшится примерно вдвое. Луч S_e, идущий с показате­лем преломления, близким к показателю преломления бальзама, пройдет через плоскость рас­пила почти без преломления и выйдет из призмы Николя, сохранив приобретенные в кристалле колебания в строго определенной плоскости.

* Канадский бальзам — лишенная эфирных масел смола канадской пнхты. В СССР аналогичная смола добывается нз сибирской пихты и поэтему в отече­ственной литературе появляется название «пихтовый бальзам>.

Призма Николя, преобразующая обыкновенный свет в плоско-поляризованный, называется поляризатором.

Если на призму Николя снизу, как это имеет место при работе с микроскопом, направить луч обыкновенного света и начать поворачивать николь вокруг направления падающего луча, то в каждый данный момент какое-либо из колебаний световых волн будет совпадать с плоскостью, вдоль которой призма Николя про­пускает световые волны, свет беспрепятственно пройдет через николь и пространство над ним все время будет освещено. Если над николем поместить второй николь, причем так, чтобы поло­жения плоскостей колебаний обоих николей совпадали, то волны, вышедшие из нижнего николя, свободно пройдут через верхний николь и эффект освещенности не изменится. Такое взаимное положение двух николей называется параллельным.

Если верхний николь поставить так, чтобы плоскость его коле­баний была расположена под углом 90° к плоскости колебаний нижнего николя, то волны, вышедшие из нижнего николя, верх­ним николем пропущены не будут и свет мы не увидим. Такое положение николей называется скрещенным.

При любом положении плоскостей колебаний нижнего и верх­него николей под углом друг к другу эффект освещенности будет промежуточным.

Из сказанного должно быть ясно, что если бы мы имели воз­можность повернуть верхний николь на 360°, то поле зрения четыре раза должно было бы стать темным (николи скрещены) и четыре раза максимально освещенным (николи параллельны).

Таким образом, с помощью верхнего николя мы анализируем свет, определяем, поляризован он или нет, и если поляризован, то устанавливаем положение плоскости колебаний. Поэтому в системе двух николей верхний николь называется «анализато­ром». Названия «поляризатор» и «анализатор» относятся только к назначению николей, так как устройство обеих призм оди­наково.

Наряду с описанным типом поляризаторов (призм Николя) в последнее время стали все шире применяться для получения поляризованного света специально изготовленные приборы — по­ляроиды. Поляроид это тонкая пластинка, представляющая собой поливиниловую пленку, покрытую слоем мельчайших параллельно ориентированных кристалликов, обладающих способностью поля­ризовать свет и почти полностью поглощать колебания одного из поляризованных лучей. Поляроиды значительно дешевле ис­ландского шпата, кроме того, их можно изготовлять практически любого размера, что расширяет возможности их использования.

Изучение минералов и горных пород с помощью поляриза­ционного микроскопа производится в шлифах. Шлиф (рис. 11) представляет собой тонкую пластинку горной породы 4, толщиной около 0,03 мм, вклеенную канадским бальзамом 3 между пред­метным / и покровным 2 стеклами.

Устройство микроскопа

В Советском Союзе выпускается несколько моделей поляриза­ционных микроскопов, отличающихся друг от друга некоторыми конструктивными деталями. Уст­ройство поляризационного мик­роскопа рассмотрено здесь на примере модели МП-6 (рис. 12). Главными частями микроско­па являются: штатив, освети­тельная система, предметный сто­лик и тубус.

Штатив состоит из массивной подковообразной опоры 23 и ручки тубусодержателя 24, на которой закреплены все детали прибора. Обе части штатива сое-

 

 

 

	ж

Рис. 11. Петрографический шлиф: й — вид сверху, 6 — разрез; / — Пред­метное стекло: 2 — покровное стекло;,; —канадский бальзам; 4 — пластинка горной породы

дпнены шарнирно, что позволяет наклонять верхнюю часть микро­скопа на наблюдателя и закреп­лять ее в удобном для работы по­ложении.

Осветительная система мик­роскопа располагается в нижней части прибора под предметным столиком и состоит из двусто­роннего осветительного зерка­ла, поляризатора, ирисной диаф-

Рис. 12. Поляризационный ми­кроскоп МП-6:

;— осветительное зеркало: 2— поля­
ризатор (в оправе); 3 — стопорный
винт поляризатора; 4 — вертикаль­
ный винт для подъема поляризато­
ра- 5 — рукоятка ирисной диафраг­
мы; 6 — линза Лазо; 7— рукоятка
для включения лннзы Лазо, 8 —
предметный столик; 9 — стопорный
виит столика: 10 — зажимные лап­
ки для крепления шлифа; // — но­
ниус; 12 — объектив; IS — центрн-
ровочиые винты объектива; 14-
прорезь для компенсатора: la —
щипцевое устройство для крепле­
ния объективов: 16 — анализатор;
17 — линза Бертрана: 18 — винт для
перемещения линзы Бертрана, 19—■
окуляр; 20 — тубус; 21 — винт гру­
бой наводки тубуса; 22 —вннт ми-
крометренной наводки тубуса: И—
основание штатива: 24 — ручка ту­
бусодержателя; 25 — стопорный
винт штатива (на рисунке с обрат­
ной стороны)

рагмы, конденсорной линзы и линзы Лазо. Осветительная система перемещается вверх и вниз с помощью вертикального випта и мо­жет быть выведена из оптической системы микроскопа.

В самой нижней части осветительной системы находится осве­тительное зеркало /. Над зеркалом расположен поляризатор 2, заключенный в металлическую оправу, состоящую из двух частей: подвижной и неподвижной. Поляризатор помещается в нижней подвижной части оправы и при помощи рычажка может быть повернут на любой угол, что позволяет изменять положение коле­баний поляризованного света. Непосредственно над поляризато­ром находится ирисная диафрагма, регулирующая степень осве­щенности объекта и изолирующая боковые лучи. Над диафраг­мой устанавливаются сменные линзы (конденсоры), делающие поляризованный свет несколько сходящимся, что заметно увеличи­вает освещенность объекта. Линза Лазо 6 является дополнитель­ным конденсором, который вводится в систему микроскопа для получения сходящегося светового пучка, используемого при ис­следованиях коноскопическим методом.

Предметный столик 8 помещается над линзой Лазо и пред­ставляет собой массивный диск, свободно вращающийся вокруг вертикальной оси, совпадающей с оптической осью прибора. Внешний край столика градуирован на 360°, что позволяет с по­мощью нониусов // производить отсчеты углов поворота. В центре столика имеется круглое отверстие, через которое проходят лучи, направленные от осветителя на объект исследований — шлиф. Шлиф закрепляется на столике микроскопа с помощью двух пружинящих зажимных лапок 10.

Тубус 20 полый цилиндр, соединенный кремальерой с ручкой тубусодержателя, вдоль которой он может перемещаться с по­мощью винта грубой наводки 21 и микрометренного винта 22, позволяющих ставить объект на фокус. В нижней части тубуса имеется щипцевое устройство 15, закрепляющее объектив. Над объективом в тубусе под углом 45° к плоскости симметрии микро­скопа сделана прорезь 14 для введения компенсаторов. Выше про­рези находится анализатор 16, вмонтированный в рамку, имею­щую с одной стороны круглое полое отверстие. Рамку можно перемещать в тубусе на салазках, что позволяет вводить анали­затор в оптическую систему микроскопа и выводить из нее. Выше анализатора установлена линза Бертрана 17 — обычная увеличи­тельная линза, дающая увеличение в 2—3 раза, вмонтированная е двойную рамку, аналогичную рамке анализатора. Линза Бер­трана используется только при работе со сходящимся светом.

В верхнее отверстие тубуса вставляется окуляр 19, представ­ляющий собой две увеличительные линзы в общей цилиндриче­ской оправе. Во внутренней части оправы между линзами нахо­дится рамка, на которую натянуты две взаимно перпендикуляр­ные паутинные нити, образующие «крест нитей». На оправе оку­ляра имеется небольшой направляющий шпенек, который входит

в специальные вырезы (их два) в верхней части тубуса микро­скопа, что позволяет фиксировать окуляр в определенном поло­жении.

К каждому микроскопу прикладывается набор объективов с различными увеличениями 3^х» 8^х, 20^х, 40^х, 60^х и набор оку­ляров с увеличениями 5^х, 6^х, 8х, 12,5^х, 17^х. В окуляре 6^х вло­жено круглое стеклышко, на которое нанесена шкала-линеечка, позволяющая определять размеры исследуемых объектов

Рис. 13. Поляризационный микроскоп МИН-8-

1 — осветительное устройство, 2 — конденсатор, 3 — поляриза­тор, 4 — стопорный внит поляризатора, 5 — рукоятка линзы Лазо, 6 — предметный столик. 7 — зажимные лапки для креп­ления шлифа, 8 — объектив, 9 — прорезь для компенсатора, 10 — анализатор, //— диск со светофильтрами 12 — барашек линзы Бертрана, 13 — окуляр, /4—штатив 15— маховичок подъ­ема осветительной системы, 16 — маховичок кремальеры сто­лика, 11 — маховичок микрометренной подачи столика

Общее увеличение микроскопа для данной комбинации объек­тива и окуляра очень близко к произведению чисел, указываю­щих увеличение каждого из них. Так, например, при объективе 8^х и окуляре 8* общее угловое увеличение микроскопа рав­но 64^х.

В комплекте микроскопа обычно имеется, кроме перечислен­ных деталей, два компенсатора, о назначении которых будет ска­зано ниже.

В последнее время выпускаются микроскопы, у которых оку­лярная часть тубуса имеет постоянный наклон и осветительное устройство, вмонтированное в основание прибора. Фокусировка объекта в этом случае производится с помощью кремальеры, под-

нимающей и опускающей предметный столик. Наклонный тубус обеспечивает горизонтальное положение столика, что особенно удобно при исследованиях в иммерсионных жидкостях. К данному типу микроскопов относится модель МИН-8, показанная на рис. 13.

Правила работы с микроскопом

Микроскоп — дорогостоящий прибор, предназначенный для тонких оптических исследований, поэтому обращаться с ним нуж­но очень осторожно, изучив назначение каждой детали. При ра­боте с микроскопом рекомендуется придерживаться следующих правил.

1. Установив микроскоп на рабочем месте, освободить шарнир тубусодержателя поворотом рукоятки «от себя» и, придав тубусу удобный для работы наклон, закрепить шарнир поворотом руко­ятки «на себя». В наклонном положении микроскоп оставлять без присмотра нельзя. Объективы и окуляры следует держать в спе­циальном ящике, не оставляя их лежать на боку на столе Оку­ляры не развинчивать во избежание повреждения паутинных нитей.

2. Начиная работу, вывести из оптической системы микро­скопа линзу Бертрана, анализатор, линзу Лазо, полностью от­крыть диафрагму.

3. Вставить окуляр так, чтобы фиксирующий шпенек на его оправе вошел в вырез на верхнем крае тубуса и одна нить креста расположилась в плоскости симметрии микроскопа, другая — в перпендикулярном направлении. Вращением верхней глазной линзы окуляра навести крест нитей на резкость.

4. Поставить объектив нужного увеличения (при рядовой ра­боте обычно 8^х или 20^х). Для этого вначале с помощью винта грубой наводки несколько приподнять тубус, затем, сжав паль­цами левой руки щипцевое устройство, правой рукой надеть объ­ектив пазом обоймы на обоимодержатель. Повернуть объектив против часовой стрелки до упора штифтика, расположенного на обойме между двумя центрировочными винтами, в вырез верхней подвижной части щипцов и отпустить щипцы. Внимательно сле­дить за правильной установкой объектива, так как в противном случае микроскоп не удастся отцентрировать.

5. На предметный столик микроскопа положить шлиф (покров­ным стеклом кверху) и с помощью зажимных лапок закрепить его.

6. Наклонами осветительного зеркала направить луч света на шлиф так, чтобы все поле зрения было освещено ярко, равномер­но, без бликов. В качестве источника света пользоваться осве­тителем с матовым стеклом или матовой лампой.

7. Работая с объективом 20^х, 40^х, 60^х, для которых фокус­ные расстояния очень малы, чтобы не раздавить шлиф и не по­вредить линзы объективов, установку объекта на фокус произ­водить с особой осторожностью. Для этого, глядя сбоку на конец

объектива, осторожно с помощью кремальерного винта грубой наводки опустить тубус до поверхности шлифа, а затем, смотря в окуляр, поднимать его микрометренным винтом (для 20^х уве­личения можно винтом грубой наводки) до появления отчетли­вого изображения объекта.

8. Во избежание переутомления зрения следует сразу же при­учить себя, глядя одним глазом в окуляр микроскопа, оставлять другой глаз в течение всей работы открытым. Для этого вначале рекомендуется работать с бумажным экраном, надетым на тубус.

Подготовка микроскопа к работе

Для того чтобы с помощью поляризационного микроскопа производить кристаллооптические исследования, необходимо вы­полнить ряд регулировок и проверок, среди которых основными являются следующие: 1) центрировка микроскопа, 2) установка николей в скрещенное положение, 3) проверка совпадения нитей окулярного креста с направлениями световых колебаний, пропу­скаемых николями, 4) определение направления колебаний, про­пускаемых поляризатором.

Рис. 14. Направления движения объек­тов в поле зрения микроскопа:

а — центрированного, 6 — иецентрнрованного

Центрировка микроскопа. Центрировкой микроскопа дости­гается совмещение оси оптической системы прибора с осью вра­щения предметного столика. В центрированном микроскопе на­блюдаемый объект, поставленный в точку пересечения нитей оку­лярного креста при вращении столика микроскопа, остается на месте (рис. \\,а). В нецентрированном микроскопе наблюдаемая точка при вращении предметного столика будет описывать ок­ружность, радиус которой зависит от величины эксцентриситета. Центр вращения этой точки находится в стороне от центра креста нитей и является центром вращения столика (рис. 14,6).

Центрировка микроскопа производится следующим образом. Глядя в окуляр при выключенном анализаторе, выбирают в шли­фе заметное маленькое зернышко и, передвигая шлиф рукой по

28

поверхности столика микроскопа, ставят его на центр креста ни­тей. Поворачивая предметный столик на 180° (в любую сторону), следят за движением наблюдаемого зерна. При наличии эксцен­триситета зерно сместится с центра креста, опишет полуокруж­ность и окажется на противоположном конце диаметра этой по­луокружности (рис. 15). Ось вращения столика находится в точ­ке О на сере цше расстояния между центром креста нитей и но­вым положением наблюдаемого зерна. Определив на глаз по­ложение оси вращения столика, передвига­ют шлиф так, чтобы наблюдаемое зерно сов­пало с осью вращения (т. е. с точкой О) и на­глядно показывало ее положение. Далее сов­мещают ось оптической системы с осью вра­щения столика. Для этого пользуются двумя центрнровочными ключами, которые наде­вают на головки центрировочных винтов объектива. Действием каждого из ключей объектив перемещается параллельно само­му себе по диагонали относительно нитей "~ ^г ектива. окулярного креста. При одновременном дей­ствии двумя ключами объектив перемещается вдоль вертикальной нити окулярного креста. Действуя центрнровочными ключами, перемещают зерно на половину расстояния к центру креста нитей, которое определяется глазомерно. Если положение точки О най­дено правильно, то после проведенных операций микроскоп бу­дет центрирован. Если некоторый эксцентриситет остался, то повто­ряют центрировку до получения необходимого результата.

Если оптическая ось объектива отклонена от центра вращения столика более чем на половину радиуса поля зрения, то при по­вороте столика на 180° наблюдаемое зерно уйдет за пределы ноля зрения. В этом случае вращают предметный столик в обе стороны на некоторый угол, следя за перемещением зерен, на­ходящихся в поле зрения, н определяют, в какой стороне от поля зрения находится ось вращения столика. Центрнровочными клю­чами перемещают ось объектива до тех пор, пока зерна, находя­щиеся в центральной части поля зрения, при вращении столика будут оставаться в пределах поля зрения. Заканчивают центри­ровку описанным выше способом.

Установка николей в скрещенное положение. Как было сказано, николи считаются скрещенными при взаимно перпендикулярном положении плоскостей колебания поляризатора и анализатора. В этом случае (шлифа на столике микроскопа нет) световой луч, направленный от осветительного зеркала, не пройдет через опти­ческую систему и поле зрения микроскопа останется темным. Если затемнение поля зрения не полное, то открепив арретирный винт, закрепляющий поляризатор, поворачивают последний за рычажок до получения наибольшего затемнения и в таком поло­жении закрепляют его Эту же проверку можно сделать по уча-

29-

стку шлифа, заполненному канадским бальзамом. В скрещенных николях бальзам, как вещество изотропное, будет темным при любых поворотах столика микроскопа.

Скрещенность николей — необходимое условие при изучении минералов, так как порядок исследований требует совмещения направлений колебаний, пропускаемых анизотропным сечением минерала с плоскостями колебаний в николях.

Проверка совпадения нитей окулярного креста с направле­ниями световых колебаний, пропускаемых николями. В правильно юстированном микроскопе николи ориентированы так, что одно направление пропускаемых ими световых колебаний (например поляризатора) параллельно плоскости симметрии микроскопа, дру­гое (в анализаторе) — перпендикулярно ей. Проверка произво­дится с помощью креста нитей в окуляре по удлиненным разре­зам какого-либо одноосного минерала, например апатита, скапо­лита, или чаще с помощью пластинки биотита с отчетливой спай­ностью *.

При выключенном анализаторе вращением столика микро­скопа ставят трещины спайности в пластинке биотита (или длин­ную сторону минерала) параллельно одной из нитей окулярного креста. Включают анализатор. Если минерал затемнен (на пога­сании), то микроскоп юстирован правильно. При отсутствии пол­ного погасания поворачивают в окуляре рамку с натянутыми на нее нитями до совмещения одной из нитей со спайностью биотита в момент полного погасания минерала. Эта операция требует опыта, поэтому проводить ее самостоятельно начинающим не ре­комендуется.

Таким образом, направление нитей окулярного креста позво­ляет ясно представлять исследователю положение плоскостей колебаний в николях.

Определение направления колебаний, пропускаемых поляриза­тором. Проверка производится при выключенном анализаторе с помощью пластинки биотита. Биотит способен избирательно по­глощать свет. В положении, когда пластинка биотита поставлена так, что трещины спайности расположены параллельно плоскости колебаний поляризатора, минерал поглощает максимум лучей и приобретает темную окраску; при повороте на 90° он становится светлоокрашенным. Вращая столик микроскопа, наблюдают при совмещении спайности биотита, с какой нитью окулярного креста минерал наиболее густо окрашен. Это направление и будет на­правлением плоскости колебания волн, пропускаемых поляриза­тором.

Выполнив все необходимые проверки, приступают к опреде­лению минералов в шлифе.

* Не следует использовать бнотит из щелочных пород, так как в этом слу­чае он может дать косое погасание, т. е. минерал не гаснет прн совмещении тре­щины спайности с нитью окулярного креста.

Глава III