01晶体光学基础(6学时)

岩矿实验郗爱华aihuaxi@岩矿实验研究内容通过现代化测试手段，确定组成岩石和矿物的名称，研究它们的结构及构造特点，从而对岩石进行分类、命名，达到研究岩石成因的目的。

显微镜下矿物光性特点研究，是最简单易行的手段，是岩矿鉴定的常规手段。

除此之外，电子显微镜、电－离子探针、X射线单晶－粉晶衍射、X荧光分析等都是现代化岩矿测试手段，正日益在生产科研领域起到越来越重要的作用。

岩矿实验课程包括的模块晶体光学及光性矿物学岩浆岩显微结构构造识别 变质岩显微结构构造识别 沉积岩显微结构构造识别晶体光学概述----概念目标应用为什么要学习晶体光学?概念: 晶体光学是研究可见光通过透明矿物晶体所产生的光学现象（颜色、折射、双折射、干涉等）及其规律的一门科学。

目标:掌握偏光显微镜下研究、鉴定透明矿物的基本原理和基本方法；掌握常见透明矿物的鉴定特征.应用:岩石学、矿物学、宝石学；玻璃、陶瓷、冶金、医药、化工等生产和科研部门矿物学：透明矿物＋不透明矿物岩石学：1）岩浆岩2）变质岩3）沉积岩晶体光学和光性矿物学研究的是透明造岩矿物的光学性质及其在偏光显微镜下的光学特点五彩电气石黄磷铁矿中沸石铬酸铅矿蓝铜矿•上图:天然六射星光蓝宝石•下图:黄水晶彩色水晶黝铜矿辉锑矿黄铁矿隐晶质结构（20×）斑状结构：斑晶和基质为两个世代似斑状结构：斑晶和基质为同一世代的产物斑状变晶结构（10×）（＋）：斑晶为堇青石晶体光学及光性矿物学部分（28学时）----课程安排晶体光学基础（6）偏光显微镜（2）单偏光镜下晶体的光学性质（6）正交偏光镜间晶体的光学性质（8）锥光系统下一轴晶晶体的光学性质（4） 透明矿物系统鉴定（2）三大岩结构构造观察（52学时）----课程安排岩浆岩部分（10）超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩、碱性岩变质岩部分（10）板岩及千枚岩、片岩、石英岩及片麻岩、角岩及矽卡岩沉积岩部分（24）沉积岩的构造、碎屑岩、火山碎屑岩、碳酸盐综合岩矿鉴定（8）参考书1.赵敬松，唐洪明，雷卞军. 矿物岩石薄片研究基础. 北京：石油工业出版社，20032.康维国, 梁万通, 刘亚琴, 晶体光学. 长春: 东北师范大学出版社, 19933.李德惠, 晶体光学. 北京: 地质出版社,19844.北京大学地质学系岩矿室, 光性矿物. 北京: 地质出版社,19795.常丽华等，透明矿物薄片鉴定手册，地质出版社，20066.管守锐、赵澄林，《岩浆岩及变质岩简明教程》，石油大学，19917.冯增昭主编，《沉积岩石学》，石油工业出版社，19938.卫管一，《岩石学简明教程》，地质出版社，19959.中华人民共和国石油天然气行业标准，ST/T5368-2000，岩石薄片鉴定晶体光学及光性矿物学部分第一章矿物晶体的光学性质第一节光的基本性质第二节光在晶体中的传播第三节光率体※第四节光性方位的振动方向与传播方向垂直，光波为横波。

晶体中许多光学现象都与光波是横波这一特征有光波是依靠交变电磁场之间的相互作用而传播，所以，波速：V＝ƒλ＝λ／T ＝ωλ／2π光强：I＝KA2；波动方程：Y=Acos(ωt+θ) 其中ωt+θ称位相，λ为波长，ƒ为频率，T 为周期，A为振幅，ω为圆频率。

第一节光的基本性质四.自然光和偏振光 1.自然光: 在垂直光波传播方向的断面内, 光波作任意方向的振动，且振幅相等. 2.偏振光：在垂直光波传播方向的断面内, 光波只在某一固定方向上振动(只有一个振 动面). 自然光转化为偏振光的过程称偏振化.A.光的传播方向垂直纸面 B.侧视图,长箭头代表光传播方向自然光的传播和振动方向关系示意图振动面偏振光的传播和振动方向关系示意图第一节光的基本性质四.自然光和偏振光3.平面偏振光：若光矢量振动方向恒定，在垂直于光传播的平面 内振动方向投影为一条直线，这种偏光即为平面偏振光。

4.圆偏光：偏振光的振幅不变，振动方向随时间变化而变化，则 称为圆偏光平面偏光圆偏光椭圆偏光第一节光的基本性质五.光的折射及折射定律光波的折射现象示意图第一节光的基本性质z五.光的折射及折射定律1 光的折射、反射与吸收™折射定律：™入射光、法线、折射光共面； ™入射光和折射光位于法线两则； ™入射角I 的正弦与折射角r 的正弦之比，为 一常数。

sin i / sin r = NN1-21-2为折射介质对入射介质的(相对)折射率。

™当入射介质为真空(空气)时，称为绝对折射 率，以N 表示。

™Sini / Sinr = N 1－2 ＝ V1 / V2 ＝ N2 / N1 其中，V是光在介质中的传播速度，N为介质的 折射率第一节光的基本性质z五.光的折射及折射定律1 光的折射、反射与吸收 反射定律：™入射光、法线、反射光共面； ™入射光和反射光位于法线两则； ™入射角 ＝ 反射角第一节光的基本性质z五.光的折射及折射定律2 影响折射率大小的因素介质的相对密度：密度越大，相对折射率也就越大； ™ 硅酸盐矿物，从岛状结构－链状结构－层状结构－架状结 构，密度呈逐渐减小趋势，相对折射率也有相似的变化规 律。

™ 入射光波的波长：波长较长的光（例如 红光）折射率较 小，波长较短的光（例如紫光）折射率相对较大。

™折射率色散™当白光折射入介质后，被分解为不同波长不同颜色的光， 不同波长的光波在介质具有不同的折射率，这种现象称为 “折射率色散”第一节光的基本性质z五.光的折射及折射定律光进入介质传播的过程中，随传播距离的增加，光强 （或光矢量的振幅）将逐渐衰减，此现象为介质的吸收性 。

吸收性强弱一般用吸收系数表示，其物理含义为光波透 入介质一个真空波长(λ0)时光强降为原值的1/e4πΚ.。

即Κ值越 大，光波衰减越快。

透明介质Κ<0.01,不透明介质Κ>0.73。

第一节光的基本性质六. 全反射临界角与全反射根据Sin i = Sin α Nα Ni可知当光波从光密介质入射到光疏介质时, 入射角 I 总是 小于折射角 α , 当 α = 90 0 时 I = φ, 入射光 一部分折射回光密介质，一部分沿着介质界面射出， 此时入射角 I 称为全反射临界角. 当入射角 I > φ 时, 折射光波不再进入 折射介质而全部返回到入射介质, 这种能 量的突变称为全反射.六. 全反射临界角与全反射 A′ a T AB′ aC′ a D空气n=1B CE e′φ d′ i c′ i b′VSO玻璃块N=2.00R临界角与全反射示意图泥晶灰岩阴极发光显微照片，方解石具环带，第一章晶体光学基础第二节光在晶体中的传播特性光性均质体光性非均质体一.光性均质体特点:光学性质各方向相同（各向同性：传播速度、折射率、光的振动性质、颜色、光泽等）.包括: 等轴晶系矿物和非晶质物质.光波在均质体中的传播特点:光波的传播速度不因振动方向不同而发生改变，即均质体的折射率不因光波在晶体中的振动方向※不同而发生改变，折射率值只有一个.A-自然光B-偏光光波在均质体中传播示意图第二节光在晶体中的传播特性第二节光在晶体中的传播特性二. 光性非均质体特点:光性非均质体的光学性质因方向不同而改变.包括:中级晶族(一轴晶)和低级晶族(二轴晶)的矿物.光波在非均质体介质中的传播特点:其传播速度因光波在晶体中的振动方向不同而发生改变. 因而非均质体的折射率也因光波在晶体中的振动方向不同而改变.非均质体的折射率值有许多个.光由空气等介质射入到光性非均质体矿物中传播时（无论是正入射或是斜入射），入射光与折射光的振动特性会发生明显的改变：入射光为各向振动的自然光，折射光将被分解为振动面方向互相垂直的两列平面偏振光；入射光为偏振光，折射光亦常常被分解为振动面方向互相正交的两列平面偏振光（个别特殊情况除外）。

并且，两列偏振光的传播速度不同，折射率大小不等。

第二节 光在晶体中的传播特性三双折射光波入射非均质体，除特殊方向外，都要分解为振动 方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏 光，此种现象称为双折射. 双折射是非均质介质的普遍特征.C光通过非均质体分解成二束偏光示意图第二节 光在晶体中的传播特性1.双折射率：振动方向不同的两种偏光折射率值之差称为双折射率.2.光轴：光波沿非均质体的特殊方向入射时,不发生双 折射,这种特殊的方向称为光轴.中级晶族具有一个这样的特殊方向,称 为一轴晶矿物;低级晶族具有两个这样 的特殊方向,称为二轴晶矿物.一轴晶™ 中级晶族的矿物（含四方晶系、六方晶系、三方晶系），有一个且只有一个方向的光轴，即 中级晶族晶体的高级对称轴，称其为一轴晶非 均质体，简称一轴晶。

™ 例如，冰洲石的双折射C轴位于平行四边形短对角线方 向，凡不沿光轴方向传播的光均要 发生双折射O光E光光轴常光O的振动方 向永远垂直于 光轴,且各方向 折射率相等;非 常光E的振动方 向平行于光轴 和光波传播方 向构成的平面, 传播速度和折 射率随振动方 向不同而改变.非常光 E的振动面常光O的振动面一轴晶双折射示意图一轴晶双折射示意图发生双折射形成的两种偏光，振动面相互垂直。

其一 振动方向永远与光轴垂直，且各方向的折射率相等， 称为“常光”，又称为O光；其二振动方向平行于光轴 和光波传播方向所构成的平面，其传播速度随振动方 向不同而改变，称为“非常光”，又称e 光。

冰洲石（CaCO3）的双折射现象二轴晶™ 低级晶族的斜方、单斜、三斜晶系的矿物晶体，有两个不产生双折射的光轴方向，被称为 二轴晶。

二轴晶主要表现： ™ 有两个方向的光轴，当光沿着光轴方向入射时 不发生双折射；光沿其它方向入射时均发生双 折射，入射光将被分解为振动面相互正交的平 面偏光，且均为非常光E1和E2。

™ 非常光E1和E2的折射率与偏光的振动面有关。

共有波法线 E1光 光轴1 E2光 光轴2非常光 e2 的振动面非常光e 1的振动面二轴晶双折射示意图二轴晶双折射示意图双折射和双折射率™光性非均质体将入射光分解为速度不等、折射率 各异、振动面方向互相正交的两列平面偏振光的 现象称为“双折射(Double refraction)”。

™两列振动面互相正交的偏振光之折射率的差值称 为“双折射率（重折射率）”。

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