Курсовая: Изучение оптических свойств минералов

                               Содержание.                               
Введение-----------------------------------------------------------------------2
1.     Понятие о плоскополяризованном свете. Двупреломление.-------------------4
2.     Оптическая индикатриса кристаллов различных сингоний.-------------------8
3.     Устройство микроскопа и его поверки.-----------------------------------14
4.     Изучение оптических свойств кристаллов при одном николе.---------------20
5.     Ход лучей через  систему поляризатор-кристалл-анализатор.--------------26
6.     Изучение оптических свойств кристаллов при двух николях.---------------29
7.     Характеристика простых форм и комбинаций кристаллов.------------------38
Заключение--------------------------------------------------------------------43
Используемая литература.------------------------------------------------------44
     
Приложения---------------------------------------------------------------------------------45
                                Введение.                                
Наука о кристаллах - кристаллография - изучает законы строения твердых тел,
характеризует кристаллическое вещество закономерным геометрически правильным
внутренним строением.
Доказано, что кристаллическое строение свойственно подавляющему большинству
минералов и горных пород, слагающих земную кору, а значит имеет
первостепенное значение в строении Земли.
В промышленности все материалы (металлы и сплавы, каменные строительные
материалы, цемент и кирпич, и п.т.) состоят из кристаллических  зерен
минералов.
Кристаллография создала целый ряд специальных кристаллографических методик,
имеющих большое практическое значение и распространение.
Наука о кристаллах дает общее понятие о свойствах и строении твердого
вещества. Поэтому входит в комплекс общеобразовательных дисциплин и является
основой для происхождения предметов минерального цикла Ц минералогии,
петрографии, геохимии, учения о месторождениях полезных ископаемых.
Многие учёные России внесли вклады в развитие этой науки. Такие как:
М.В.Ломоносов, А.В.Гадолин, Е.С.Федоров, Ю.В.Вульф и многие другие.
Кристаллография и в настоящее время представляет огромный интерес и постоянно
пополняется новыми специалистами.
Большую роль в исследовании кристаллов играет изучение их оптических свойств,
которые носят строго закономерный характер. Кристаллы определенного сонстава
и строения обладают постоянными оптическими характеристиками, которые
исследуют при помощи понляризационных микроскопов. Это позволяет определять
минералы в любой смеси Ч горной породе, строительнном материале. Методы
оптического исследования наншли широкое применение в геологии, химии и
технологии строительных материалов. Так, например, при изготовнлении цемента
они используются для контроля за ценментным клинкером.
Основные оптические свойства кристаллов Ч преломнление, двупреломление,
поляризация и интерференция света. Оптические свойства кристаллов выражаются
их оптической индикатрисой.
Петрография (петрология) Ч наука геологического цикла, в задачу которой
входит всестороннее изучение горных пород.
Под названием лгорная порода понимается природный минеральный агрегат более
или менее определенного состава и строения, являющийся продуктом
геологических процессов и образующий в земной коре самостоятельные тела.
Универсальным методом исследования горных пород является изучение их в шлифах
под микроскопом. Для большинства горных пород этот метод позволяет быстро и
достаточно точно определять минеральный состав породы, детали ее строения,
характер и степень вторичных изменений и ряд других особенностей. Для точного
определения констант минералов применяются федоровский метод, иммерсионный
метод и др.
Кристаллооптический метод изучения горных пород основан на использовании
поляризованного света, применяемого в поляризационных микроскопах,
современные модели которых дают увеличения свыше 1000х. Такие возможности
широко раздвигают рамки исследования, позволяя определять оптические свойства
минералов в мелких зернах, изучать минеральный состав и строение породы.
Кристаллооптический метод требует знания основ оптики и геометрической
кристаллографии, без чего сущность оптических явлений, наблюдаемых под
микроскопом, не будет понятна.
         1. Понятие о плоскополяризованном свете. Двупреломление.         
     Свет - сложное природное явление, представляющее собой, с одной стороны -
непрерывный поток материальных частиц - фотонов, характеризующихся определенной
энергией и количеством движения, с другой стороны - волновое электромагнитное
колебание, возникающее при изменении напряжений электрического и магнитного
векторов. Оба вектора равны между собой, взаимно перпендикулярны и одновременно
перпендикулярны к направлению распространения света.
Если в каждую единицу времени направления колебаний электрического и магнитного
векторов меняются так, что в направлении распространения светового луча
одновременно происходит поступательное и вращательное движение этих векторов
при постоянной скорости их колебаний, то такой свет называется обыкновенным
, или естественным (рисунок 1,а). Если колебания световых волн
совершаются только в одной определенной плоскости, такой свет называется 
плоскополяризованным, пли просто поляризованным (рисунок 1,б).
Плоскость, в которой происходят колебания световых волн, называется 
плоскостью колебаний Q, перпендикулярная к ней плоскость Р - 
плоскостью поляризации. Плоскополяризованный свет возникает либо при
отражении от гладкой поверхности (частичная поляризация), либо при прохождении
света через кристалл.
Электромагнитные колебания являются гармоническими и, как всякие
гармонические колебания, характеризуются такими элементами, как длина волны,
амплитуда, фаза, частота и т.д. Видимый свет обусловлен волнами, имеющими
длину от 380 до 780 мкм. В этом интервале каждая волна определенной длины
имеет определенный цвет. Свет какой-либо одной длины волны называется
монохроматическим. Рентгеновские лучи и радиоволны имеют также
электромагнитную природу и отличаются от видимого света только длиной волны.
У первых длина волны меньше 380 мкм, а у вторых - больше 780 мкм.
Если два луча распространяются в одном и том же направлении и обладают одной
и той же длиной волны, то они взаимодействуют или интерферируют между собой.
Наиболее простой случай интерференции наблюдается, когда оба интерферирующих
луча поляризованы в одной плоскости.
Суммарный эффект всех волн дает белый цвет. Сложность его состава
обнаруживается при разложении света призмой. Обычно в спектре видимого света
различают следующие цвета: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой,
синий и фиолетовый.
     
     Рисунок 1 - Схема электромагнитных колебаний: а) естественного света; б)
плоскополяризованного света; Е Ц вектор электрической напряженности; Н Ц вектор
магнитной напряженности.
     Интерференция света 
При взаимодействии двух понляризованных лучей, колебание которых происходит в
одной плоскости, возникает определенный световой эфнфект, который называют 
интерференционным.
Эффект интерференции света зависит от так назынваемой разности хода световых
волн этих двух лучей. Яркость светового луча, которую они создают, при этом
может усиливаться или уменьшаться   вплоть до полной темноты. Если
взаимодействующие поляризованные лунчи пропускают через кристалл, то
возникает определеннная окраска, называемая интерференцией. В таком винде
этот эффект используется в поляризационном микронскопе для диагностики
минералов
     Преломление лучей.
При переходе света из одной среды в другую происходит изменение скорости
распространения света, или преломление световых лучей. Это происходит из-за
того, что скорость распространения света в разных средах различна. В вакууме
она приблизительно равна 300 000 км/с, во всех других средах меньше.
Существует определенная зависимость между углом падения луча и изменением
скорости. Для данных двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла
преломления есть величина постоянная, равная отношению скорости света в первой
среде к скорости света во второй среде. Это отношение называется 
показателем преломления среды второй относительно первой и обозначается 
N.
Показатель преломления какой-либо среды относительно пустоты называют
абсолютным показателем преломления. Вследствие того, что скорость
распространения света в пустоте является наибольшей, абсолютный показатель
преломления всегда больше единицы. Практически показатель преломления
определяется относительно воздуха (N = 1,0003).
При прохождении света из среды с меньшим показателем преломления в среду с
большим показателем преломления угол преломления меньше угла падения. Если же
свет идет из среды с большим показателем преломления, то угол преломления
больше угла падения. Поэтому из пучка лучей найдется луч, который после
преломления пойдет по границе сред. Угол падения такого луча называется 
предельным.
При угле падения, большем предельного, падающий луч полностью отразится от
поверхности раздела двух сред. Это явление носит название полного
внутреннего отражения. Таким образом, полное внутреннее отражение
наблюдается тогда, когда луч из среды с большим показателем преломления
попадает в среду с меньшим показателем преломления под углом, превышающим
предельный. Чем значительнее разница в показателях преломления двух сред, тем
меньше предельный угол и тем большая часть падающих лучей испытает полное
внутреннее отражение.
          Луч естественного света,
войдя в кристалл, преломляется и разделяется на два луча, идущих с различными
скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Такое
явление называют двойным лучепреломлением, или двупреломлением.
     Рисунок 2 - Явление полного внутреннего отражения
Рассмотрим два случая двупреломления лучей. Один из возникших при двупреломлении
лучей идет с одинаковой скоростью по разным направлениям в кристалле, а другой
меняет скорость в зависимости от направления. Первый луч называют 
обыкновенным и обозначают о, а второй Ц необыкновенным 
обозначают е.
     
     Рисунок 3 - Двупреломление в ромбоэдре исландского шпата: о Ц
обыкновенный луч; е Ц необыкновенный луч.
Явление двупреломления связано с анизотропностью кристаллов, т.е. с
неодинаковыми свойствами кристаллов. В веществах с одинаковой скоростью
распространения света двупреломление не происходит. В анизотропных веществах
двупреломление происходит во всех направлениях (кроме направлений оптических
осей).
     2. Оптическая индикатриса кристаллов различных сингоний
Оптические свойства кристаллов изображаются с помощью оптической индикатрисы.
     Оптическая индикатриса Ч вспомогательная поверхность, имеющая форму шара
или эллипсоида. Каждый радиус-вектор индикатрисы пропорционален величине
показателя преломления той волны, колебания которой совершаются в направлении
этого вектора (распространяется свет в направлении, перпендикулярном к
направлению колебания волн). Таким образом, оптическая индикатриса наглядно
выражает связь между величинами показателей преломления и направлением
колебаний световых волн, проходящих через кристалл. Оси симметрии
эллиптического сечения индикатрисы - единственные направления, вдоль которых
совершаются колебания световых волн в данном сечении кристалла. Форма
индикатрисы зависит от симметрии кристалла.
     Оптическая индикатриса кристаллов кубической сингонии.
Оптические свойства кристаллов кубической сингоний, показатель преломления
которых постоянен, характеризуются индикатрисой, имеющей форму шара с
радиусом, пропорциональным величине показателя преломления.
     Оптическая индикатриса кристаллов средних сингоний.
Для кристаллов средних сингоний оптическая индикатриса имеет форму эллипсоида
вращения, ось вращения которого соответствует показателю преломления,
совпадающему с единичным направлением в кристалле.
Принцип построения оптической индикатрисы для кристаллов средних сингоний
рассмотрим на примере тетрагонального кристалла.
На схеме (рисунок 4,а) показаны лучи S1, S2, S3
, падающие на различные грани кристалла, где изображены векторы, в направлении
которых происходят колебания световых волн, проходящих через данную грань.
Длины векторов пропорциональны величинам показателей преломления для
соответствующих направлений.
Луч S1, идущий вдоль единичного направления L4
, встретит на своем пути основание призмы, характеризующееся равенством
единичных отрезков ах = ау, что обусловливает
изотропность сечения. Поэтому вектор световой волны, соответствующий лучу S
1, проходя через кристалл, будет совершать колебания во всех
направлениях с одинаковой скоростью и одинаковым показателем преломления.
Двойное лучепреломление здесь отсутствует и, следовательно, фигура,
изображающая изменение показателя преломления для рассматриваемого сечения, -
окружность с радиусом n0.
     
     Рисунок 4 - Принцип построения оптической индикатрисы: а Ц возможные
направления колебания волн для лучей, идущих перпендикулярно к различным граням
тетрагонального кристалла; б Ц пространственная фигура, отражающая изменение
показателей преломления в тетрагональном кристалле.
Лучи S2 и S3 перпендикулярны к
вертикальным граням призмы, которые характеризуются равенством единичных
отрезков по ах и ау и неравенством        
aγ = ay ≠ az. Это
неравенство обусловнливает анизотропность сечения и, следовательно, разложение
обыкновенного света на две поляризованные волны, колеблющиеся во взаимно
перпендикулярных направлениях с разной скоростью и различными показателями
преломления. Для обыкновенного луча, волны которого колеблются в горизонтальной
плоскости вдоль направления х или у, показатель преломления
равен n0; для необыкновенного луча, волны которого
колеблются вдоль единичного направления L4, ne, 
показатель преломления равен n0. Таким образом, фигура,
характеризующая изменение показателя преломления   на   гранях   призмы,
представляет   собой   эллипс  с двумя неравными осями.
Величина показателя преломления необыкновенного луча меняется при изменении его
наклона относительно единичного направления от n0, при
совпадении луча с единичным направлением, до ne, если луч
идет перпендикулярно к единичному направлению. Промежуточные значения
показателя преломления обозначаются ne'.
Свойства кристалла, как известно, в параллельных сечениях сохраняются. Поэтому,
переместив мысленно в центр кристалла плоские изображения, характеризующие
изменение показателей преломления на его гранях и объединив их общей
поверхностью, получим пространственную фигуру, отражающую изменение показателей
преломления,  т.е.   оптическую  индикатрису,   которая   в данном случае
будет иметь форму эллипсоида вращения (рисунок 4,б). В  кристаллах  средних
сингоний  оптическая  ось  совпадает  с единичным   направлением   и,
следовательно,   с   осью   вращения индикатрисы ne.
Рассекая мысленно эллипсоид вращения плоскостями, расположенными под углом к
оси вращения, видим, что в каждой из таких плоскостей изменение показателей
преломления характеризуется эллипсом, одна из осей которого n0 
- величина постоянная; другая ось ne' - величина переменная
(рисунок 5). Индикатриса   одноосных   оптически   положительных   кристаллов
имеет форму эллипсоида,  удлиненного  по оси  вращения,  где  ne
. соответствует ng, индикатриса оптически отрицательных
кристаллов имеет форму сплюснутого эллипсоида, для которого ne 
соответствует np. Эллиптическое сечение индикатрисы,
проходящее вдоль оптической оси, называется главным сечением и характеризуется
крайними значениями показателей преломления ne и n0
. Разность ne - n0 (или n0 
- ne) дает максимальную величину двупреломления оптически
одноосного кристалла. В разрезе, перпендикулярном к оптической оси,
двупреломление кристалла равно нулю; во всех косых сечениях его величина имеет
промежуточные значения.
     
     Рисунок 5 - Оптическая индикатриса одноосных кристаллов положительных  (+)  и
отрицательных  (-).
     Оптическая индикатриса кристаллов низших сингоний.
Внутренняя структура кристаллов низших сингоний характеризуется наличием не
менее трех единичных направлений, что определяет форму оптической индикатрисы в
виде трехосного эллипсоида с тремя неравными взаимно перпендикулярными осями,
соответствующими одному из главных показателей преломления ng
, nm, np (рисунок 6).
Геометрия трехосного эллипсоида предопределяет и наличие симметрично
расположенных двух круговых сечений, радиусы-векторы которых равны среднему
показателю преломления nm. Перпендикулярно к круговым
сечениям располагаются оптические оси кристалла А1 и А
2, при прохождении вдоль которых лучи не испытывают двойного
лучепреломления.
     
     Рисунок 6 - Оптическая  индикатриса двуосных кристаллов Ч положительных  (+)
и отрицательных   (-).
В оптически двуосных кристаллах различают три главных сечения- ng
np, ngnm, nmnp
. В сечении ngnp лежат оптические оси, поэтому оно
называется плоскостью оптических осей. Ось nm 
перпендикулярна к плоскости оптических осей. Острый угол между оптическими осями
называется углом оптических осей и обозначается 2V; оси ng 
и nр являются биссектрисами этих углов. Если биссектриса
острого угла ng, то кристалл относится к оптически
положительным (рисунок 7,а), если nр Ч к оптически
отрицательным (рисунок 7,б); если угол 2V=90