| 偏光顯微鏡原理及應用（二） |
| 時(shí)間： 2010-5-4 10:29:54 來(lái)源： 中國材料顯微鏡網(wǎng) 作者： admin 點(diǎn)擊： 1294 次 |
| 2. 光的吸收 一束光線(xiàn)照射到物質(zhì)的表面，一部分光線(xiàn)被反射，另一部分光線(xiàn)透過(guò)（透明材料），還有一部分光線(xiàn)要被物質(zhì)所吸收。光的吸收主要是光的波動(dòng)能轉換為熱能等其他形式的結果。  當光射入吸收性物質(zhì)后，光的振幅隨著(zhù)透入深度的增大而不斷減小，圖2.4繪出了這種減弱情況。蘭伯特（J.H.Lambert）吸收指數定律則給出了光吸收的數學(xué)表達式：  式中，Ix為透過(guò)厚度為x的光強，I為入射光強，x為透入深度，α為比例常數。 3. 光的反射 根據反射的基本定律，以反射表面法線(xiàn)為基準的入射角和反射角是相等的，入射光線(xiàn)、反射光線(xiàn)和反射表面法線(xiàn)處于同一平面上。 在精拋光平表面上可獲得單向反射（表面不平整度小于光波長(cháng)），而在粗糙表面上則呈漫反射。反射光的強度和波長(cháng)取決于表面的本性和反射介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)。通常具有不定域電子的導電體或半導體材料是不透明的，并且呈現很好的反射率。而以離子或共價(jià)鍵特征為主的材料是透明的，但有時(shí)是有色的。這是由于流動(dòng)的電子會(huì )吸收任何波長(cháng)的光，而鍵合電子只與個(gè)別波長(cháng)的光相互作用。 物質(zhì)對投射在它的表面或磨光面上光線(xiàn)的反射能力稱(chēng)為反射力。表示反射力大小的數值稱(chēng)為反射率：  式中：R為反射率，Ir為反射光的強度，Ii為入射光的強度。 如果物質(zhì)表面對白光中七種色光等量反射，則物質(zhì)沒(méi)有反射色，只是根據反射率的大小而呈現為白色或程度不等的灰色；反射率大的物質(zhì)呈白色，反射率小的物質(zhì)呈灰色。如果物質(zhì)對七種色光選擇反射，使某些色光反射多一些，則物質(zhì)會(huì )呈現反射色。所以反射色專(zhuān)指物質(zhì)表面選擇反射色光而產(chǎn)生的顏色，又稱(chēng)表色，是由于物質(zhì)表面選擇反射作用的結果，即物質(zhì)對不同波長(cháng)的色光的反射力不同而形成的。許多金屬材料有很顯著(zhù)的特征反射色，如黃鐵礦為黃色反射色，赤鐵礦為無(wú)色或者藍灰色反射色。因此，反射色是鑒定不透明物質(zhì)的重要特征。 有些晶體材料在不同方向上具有不同的折射率，在材料表面的反射力也不相同，而呈現雙反射現象。用一束偏振光以不同方位照射這些晶體材料，會(huì )產(chǎn)生明顯的反射多色性。 一束白光射到礦物表面后，除了一部分光線(xiàn)被反射外，另一部分光線(xiàn)被折射透入礦物內部，若遇到礦物內部的解理、裂隙、空洞及包裹體等不同介質(zhì)的分界面時(shí)，光線(xiàn)會(huì )被反射出來(lái)，這叫做礦物的內反射作用（圖2.5）。由于內反射作用所產(chǎn)生的顏色稱(chēng)內反射色，又稱(chēng)之為礦物的體色。  物質(zhì)的顏色、反射色和內反射色三者有著(zhù)不同的概念，應將它們區別開(kāi)來(lái)。物質(zhì)的顏色是指肉眼下所見(jiàn)到的顏色，它是物質(zhì)對白光中七色波選擇性吸收的結果。反射色是指物質(zhì)的光滑表面或磨光面上，因選擇性反射作用所造成的顏色，為表色。內反射色是物質(zhì)內部反射作用（包括光的干涉作用）所形成的顏色。由于三種顏色的成因不同，在不同的物質(zhì)上呈現不同的特征。在同一個(gè)礦物上，其肉眼觀(guān)察的顏色（手標本上的顏色）與光片上的顏色以及薄片中的顏色都不一定相同。它們之間又有相互的關(guān)系： ① 反射率R>40％的礦物，由于對入射光的吸收太強烈，一般條件下沒(méi)有內反射作用，即見(jiàn)不到內反射色，這些礦物（所謂不透明礦物）的顏色與反射色是一致的，它們的顏色主要決定于表色。 ② 反射率在40％-30％之間的礦物，其少數具有內反射，礦物的顏色多數仍決定于表色。 ③ 反射率在30％-20％之間的礦物，具有一定的透明度，它們可以反射出一部分光，又可以透出一部分光，而且普遍具有內反射，它們的內反射與顏色一致，與反射色互為補色。 ④ 反射率R<20％的礦物，絕大多數為透明礦物，因此都有內反射，內反射色為無(wú)色、灰白色或由于白光的分解和干涉作用產(chǎn)生的彩色，與礦物的顏色一致。 （三）光在晶體中的傳播 晶體是具有格子構造的固體，擁有獨特的對稱(chēng)性和各向異性。光在不同晶體中傳播時(shí)也表現出不同的特點(diǎn)。自然光和偏振光在晶體中的傳播也不盡相同。根據光在晶體中不同的傳播特點(diǎn)，可以把透明物質(zhì)分為光性均質(zhì)體和光性非均質(zhì)體兩大類(lèi)。 1. 光性均質(zhì)體 光波在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度不因振動(dòng)方向而發(fā)生改變。也就是說(shuō)，介質(zhì)的折射率不因光波在介質(zhì)中的振動(dòng)方向不同而發(fā)生改變，其折射率值只有一個(gè)，此類(lèi)介質(zhì)屬光性均質(zhì)體（簡(jiǎn)稱(chēng)均質(zhì)體）。光波射入均質(zhì)體中發(fā)生單折射現象，不改變光波的振動(dòng)特點(diǎn)和振動(dòng)方向(如圖2.6)。也就是說(shuō)，自然光射入均質(zhì)體后仍為自然光。偏光射入均質(zhì)體后仍為偏光，且其振動(dòng)方向不改變。 等軸晶系礦物的對稱(chēng)特性極高，在各個(gè)方向上表現出相同的光學(xué)性質(zhì)，它們和各向同性的非晶質(zhì)物質(zhì)一樣，屬于光性均質(zhì)體。例如石榴石、螢石、玻璃、樹(shù)膠等都是均質(zhì)體。 2. 光性非均質(zhì)體 光波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度隨振動(dòng)方向不同而發(fā)生變化。因而其折射率值也因振動(dòng)方向不同而改變，即介質(zhì)的折射率值不止一個(gè)，此類(lèi)介質(zhì)屬光性非均質(zhì)體（簡(jiǎn)稱(chēng)非均質(zhì)體）。光波射入非均質(zhì)體時(shí)，除特殊方向以外，都要發(fā)生雙折射現象，分解形成振動(dòng)方向互相垂直、傳播速度不同、折射率不等的兩種偏光Po、Pe（如圖2.7所示）。兩種偏光折射率值之差稱(chēng)為雙折射率。當入射光為自然光時(shí)，非均質(zhì)體能夠改變入射光波的振動(dòng)特點(diǎn)，當入射光波為偏光時(shí)，也可以改變入射光波的振動(dòng)方向。  中級晶族和低級晶族礦物的光學(xué)性質(zhì)隨方向而異，屬于光性非均質(zhì)體，如長(cháng)石、石英、橄欖石等。絕大多數礦物屬于非均質(zhì)體。 當光波沿非均質(zhì)體的某些特殊方向傳播時(shí)(如沿中級晶族晶體的c軸方向)，則不會(huì )發(fā)生雙折射現象，不改變入射光波的振動(dòng)特點(diǎn)和振動(dòng)方向。這種不發(fā)生雙折射的特殊方向稱(chēng)為光軸。中級晶族晶體只有一個(gè)光軸方向，稱(chēng)為一軸晶。低級晶族晶體有兩個(gè)光鈾方向，稱(chēng)為二軸晶。 （四） 光率體 透明晶體在偏光顯微鏡下所顯示的一些光學(xué)性質(zhì)，大多與光波在晶體中的振動(dòng)方向及相應折射率值有密切關(guān)系。為了反映光波在晶體中傳播時(shí)偏光振動(dòng)方向與相應折射率值之間的關(guān)系，有必要使用在物理學(xué)中所建立的光率體概念。 光率體是表示光波在晶體中傳播時(shí)，光波振動(dòng)方向與相應折射率值之間關(guān)系的一種光性指示體。其做法是設想自晶體中心起．沿光波的各個(gè)振動(dòng)方向，按比例截取相應的折射率值，再把各個(gè)線(xiàn)段的端點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，便構成了光率體。 實(shí)際上光率體是利用晶體不同方向上的切片，在折光儀上測出各個(gè)光波振動(dòng)方向上的相應折射率值所作的立體圖。 光率體是從晶體的光學(xué)現象中抽象得出的立體幾何圖形，它反映了晶體光學(xué)性質(zhì)中最本質(zhì)的特點(diǎn)。它形狀簡(jiǎn)單，應用方便．成為解釋一切晶體光學(xué)現象的基礎。用偏光顯微鏡鑒定晶體礦物也都以光率體在每種礦物中的方位為依據。由于各類(lèi)晶體的光學(xué)性質(zhì)不同，所構成的光率體形狀也各不相同。 1. 均質(zhì)體光率體 光波在均質(zhì)體中傳播時(shí)，光波在任何方向振動(dòng)，其傳播速度不變、相應的折射率都相等。因此，均質(zhì)體光率體是一個(gè)圓球體(圖2.8)。通過(guò)光率體中心的任意切面均為圓切面，圓的半徑代表折射率值。  2. 一軸晶光率體 光波射入一軸晶礦物，發(fā)生雙折射現象分解成兩種偏光(圖2.9、10)，一種偏光的振動(dòng)方向永遠與光軸垂直，且各方向折射率相等，稱(chēng)為常光，以符號“o”表示。另一種偏光的振動(dòng)方向平行于光軸和光波傳播方向新構成的平面，其折射率值隨振動(dòng)方向不同而改變，稱(chēng)為非常光，以符號“e”表示。 中級晶族（三方、四方、六方晶系）晶體屬一軸晶。該類(lèi)晶體的水平結晶軸(a、b)單位相等，其水平方向上的光學(xué)性質(zhì)相同。因此，一軸晶光率體是以c軸為旋轉軸的旋轉橢球體（二軸橢球體），并有正負之分。正—軸晶是一個(gè)拉長(cháng)了的旋轉橢球體(圖2.9)，負一軸晶是一個(gè)壓扁了的旋轉橢球體(圖2.10)。 現以石英和方解石為例分述如下： 當光線(xiàn)垂直石英晶體的C軸方向射入晶體時(shí)，發(fā)生雙折射，產(chǎn)生兩個(gè)互相垂直振動(dòng)的偏光。其一為常光，振動(dòng)方向垂直C軸，折射率為1.544，以No表示；另一為非常光，其振動(dòng)方向平行于C軸，折射率為1.553，以Ne表示。在平行C軸的方向上截取Ne=1.553，垂直光軸的方向上截取No=1.544，以此二線(xiàn)段為長(cháng)短半徑可構成一個(gè)垂直入射光線(xiàn)的橢圓切面(圖2.9a)。垂直C軸其他任何方向射入的光線(xiàn)均可構成相同的橢圓切面。將這一系列的橢圓切面聯(lián)系起來(lái)，便構成一個(gè)以C軸為旋轉軸的長(cháng)形旋轉橢球體，即石英的光率體(圖2-9b)。 這種光率體的特點(diǎn)是：其旋轉軸為長(cháng)軸，稱(chēng)為光軸。光沿光軸方向振動(dòng)的折射率總比垂直于光軸方向振動(dòng)的折射率大些，即Ne>No，稱(chēng)為—軸晶正光性光率體。 而當光線(xiàn)垂直方解石晶體的C軸方向(光軸)射入時(shí)，發(fā)生雙折射，其No=1.658，Ne=1.486，用 上述方法作出的光率體，則是一個(gè)以C軸為旋轉軸的扁形旋轉橢球體(圖2.10)。它的特點(diǎn)與石英光率體相反，旋轉軸為短軸（光軸），光沿光軸方向振動(dòng)的折射率總比垂直光軸方向的折射率要小些。 |
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