材料方法第2章 光学显微镜分析

观察透明晶体
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1. 偏 光 显 微 镜 的 构 造
1、目镜 2、镜筒 3、勃氏镜 4、粗动手轮 5、微调手轮 6、镜臂 7、镜座 8、上偏光镜 9、试板孔 10、物镜 11、载物台 12、聚光镜 13、锁光圈 14、下偏光镜 15、反光镜 33
☆镜臂
☆镜座
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☆反光镜：平、凹两面
35 ☆下偏光镜：用PP代表振动方向
金相显微镜工作原理图
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金相显微镜的构造：主要由光学系统、机械系 统、照明系统等组成。 (1)光源：低压白炽灯,位于镜筒侧面
(2)孔径光阑：控制入射光束的直径，影响分 辨率和反差
视域光阑：控制观察区域范围 (3)垂直照明器:光路行程换向的作用
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垂直照明器的种类：
（a）玻片反射器： 光强损失大，视域亮
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(5)调整载物台机械中心
载物台通常作 360°转动，为了防止观 察目标移出视域，必须将载物台的机械中心 和物镜的主轴相重合。
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4.偏光显微镜的试样
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5.偏光显微镜的使用
(1)单偏光镜
仅使用下偏光镜
可观察内容：晶体形态、晶粒大小、含 量、解理、突起、颜色等。
针状、 棒状鳞石英
雪花状鳞石英
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19世纪 德国 Ernst Abbe
阐明光学显微镜成像原理，油浸系物镜，光学 显微镜分辨本领达0.2微米理论极限
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二、光学显微镜分类
按成像原理可分为：
几何光学显微镜：生物、金相显微镜 物理光学显微镜：相差、偏光显微镜 信息转换显微镜：荧光、图像分析显微镜 特种光学显微镜 ：高温、近场光学显微镜
管柱状鳞石英
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(2)正交偏光镜
使用上、下偏光镜， 且振动面相互垂直 正交偏光镜不放试样时， 视域是黑暗的（？）；若放
臵试样，由于晶体性质和切
片方向不同，将出现消光和
干涉等光学现象。
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消光现象
晶体在正交偏光镜下呈 现黑暗的现象。 全消光：转动物台360°, 消光现象不改变。
均质体或非均质体垂直 光轴的切片
反射力和颜色等造成明暗反差和颜色反差。
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b.暗场照明术
平坦表面的反射有极大 的倾角，不能进入物镜， 呈黑暗色；物相的裂纹、 凹陷、界面等的部分散射 光线有可能射入物镜而呈 现明亮色，从而造成了极 明显的明暗反差或颜色反 差。
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明场相
暗场相
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2.金相显微镜的调节和使用
主要包括光源、照明器、镜筒、孔径光 阑和视域光阑的调节。 可观察内容：试样表面的形貌、尺寸、 分布、颜色等。
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（2）一轴晶光率体的主要切面
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①垂直光轴切面 圆切面，半径等于 No，光波垂直这种切面 入射时，不发生双折射。折射率为No。
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②平行光轴切面 椭圆切面，长短半径分别等于No与Ne，光 波垂直这种切面入射时，发生双折射，两条偏 光的振动方向分别平行椭圆切面长、短半径， 折射率分别等于椭圆切面的长、短半径。双折 27 射率为No和Ne之差。
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(2)调节照明（对光）
① 用自然光照明，需要调节反光镜，反光镜 有平面镜和凹面镜两种。 ②用人工光源照明，需要调节电压旋钮，电 压越高，亮度越大。
(3)调整偏光镜位臵
目镜中全黑时，则上、下偏光镜的偏振方 向正交；而光线最强时，则相互平行。
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(4)调节焦距(对焦) 从侧面看着镜头，先旋转微调手轮，使 它处于中间位臵，再转动粗调手轮将镜筒下 降使物镜靠近试样玻片。然后在观察试样的 同时慢慢上升镜筒，直至看清物体的像，再 左右旋动微调手轮使物体的像最清晰。 切勿在观察时用粗调手轮调节下降，否 则物镜有可能碰到玻片硬物而损坏镜头。
☆试板孔
☆上偏光镜 振动方向AA，与PP垂直
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☆勃氏镜
☆ 目镜
显微镜总放大倍数= 目镜放大倍数×物镜放大倍数
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2.显微镜的工作
原理
光学显微镜具有 二级放大的功能
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3.偏光显微镜的调节和校正
(1)装卸镜头 a. 装卸目镜 单目镜筒，将目镜插入镜筒 双目镜筒，还需调节两个目镜之间的距 离，使眼睛间距与双筒视域一致。 b. 装卸物镜 ①弹簧夹型 ②转盘型 ③螺丝扣型
度较弱，有害反射较
多；视域亮度均匀、
分辨率较高
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（b）棱镜反射器：光线损失较少，视域明 亮，有害的干扰反射光少；但视域明暗不均、 分辨率下降
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(4)照明方式
a.明场照明术
金相显微镜中常用的照明方式 。
光线均匀照到光片表面，平坦表面将大部 分光反射回物镜，凹陷部分则将光散射到物
镜外面，光片上的不平整状态及物相的不同
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电磁波谱
光学显 微镜使 用可见 光 390~770 nm
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2.自然光和偏振光
自然光：在垂直于光的 传播方向的平面内的
任意方向振动。
偏振光：只在垂直于光 的传播方向的平面内的 某一方向振动。
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二、光与固体物质的相互作用
1.光的折射
折射定律
相对折射率
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特点:
①绝对折射率
②介质的折射率与光在介质中的传播速度Vr成
一轴晶负光性光率体：以c轴为旋转轴的扁形旋转椭 球体，光波平行光轴振动时的折射率总是比垂直光 轴振动时的折射率小，Ne＜No。
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无论是正光性或负光性光率体，直立轴 （光轴）永远是Ne ，水平轴永远是No。 Ne与No为一轴晶矿物折射率的最大值与 最小值，称为主折射率。 Ne与No 之差值（Ne-No）为一轴晶矿物 最大双折率
去除细磨痕，获得 平整无疵镜面。机 械抛光、电解抛光、 化学抛光
取样
镶嵌
磨光
抛光
浸蚀
形状特殊或尺寸细小的 样品，机械夹持法、塑 料镶嵌法（热-酚醛， 冷-环氧）
使不同组织、晶粒、晶界受到 不同程度的浸蚀，形成差别， 清晰显示内部组织；去除抛光 造成的变形层。化学浸蚀、电 解浸蚀、物理蚀刻
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2.5 光学显微分析技术的进展
二轴晶：低级晶族（如斜方）
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冰洲石的双折射现象
o
e
冰洲石
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双折射现象
一束自然光穿过各向异性的晶体时分成两 束偏振光的现象。
例如：白纸上涂一个黑点，将方解石放 在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石， 一个黑点不动，另一个黑点旋转。
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四、光率体
含义：是表示光波在晶体中传播时，光波 振动方向与相应折射率值之间关系的一种光 学立体图形（光性指示体）。
单折射现象：光波的振动特点 和振动方向不变 ，如图：
等轴晶系（立方）、非晶物 质
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2.光性非均质体
各向异性介质
光在非均质体中传播时，传播速度和折射率值随
振动方向的不同而发生改变。
双折射现象：光波入射非均质体，除特殊方向
(光轴)外，分解成为振动方向互相垂直、传播速度不
同、折射率不等的两种偏振光。
一轴晶：中级晶族（如四方）
三方、四方和六方晶系，一轴晶光率体，旋 转椭球体，其旋转轴（光轴）与结晶轴（c轴） 相当，光率体的中心与晶体中心重合。
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斜方晶系光率体，三轴椭球体，光率体的三根主轴
与晶体的三根结晶轴重合，光率体的三个主轴面与 晶体的三个对称面（100,010,001面）重合；
单斜晶系光率体的三主轴之一与晶体的二次对称轴
（b轴）重合，光率体的三个主轴面之一与晶体的 对称面（010）面重合，另外两个主轴在（010）面 内与晶体的另外两晶轴（a,c轴）相交一定角度；
三斜晶系光率体的三根主轴与晶体的三根结晶轴斜
交，其斜交角度因晶体不同而不同。
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2.3 光学显微分析方法
一、偏光显微镜 二、金相显微镜
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一、偏光显微镜
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反射光显微镜 透射光显微镜
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相位差显微镜
解剖显微镜
2.2 晶体光学基础
一、光的物理性质 二、光与固体物质的相互作用 三、光在物质中的传播 四、光率体
五、光性方位
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一、光的物理性质
1.光的波动性
光具有波粒二象性
波动学说解释晶体光学问题
光是横波
横波
光波的振动方向垂直传播方向
③斜交光轴切面 椭圆切面，长短半径分 别等于 No 与 Ne’ ，光波垂直 这种切面入射时，发生双折 射，两条偏光的振动方向分 别平行椭圆切面长、短半径， 折射率分别等于椭圆切面的 长、短半径 No 与 Ne’ ，双折 射率为No和Ne’之差。
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五、光性方位
含义：光率体主轴与晶体晶面、结晶轴以 及晶棱之间的关系。 不同晶体的光性方位不同，而同一晶体的 光性方位基本固定，故确定光性方位可以帮 助鉴定晶体。
一、光学显微镜的分辨能力
分辨率：仪器分辨两个物点的本领，常
用可以辨别物体上两点间的最小距离表示。 仪器能分辨的两个物点的距离越小，则 分辨率越大。
显微镜的分辨能力由物镜决定。
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由于衍射效应，物点通过透镜所成的像是个 衍射光斑，由许多明暗相间的条纹构成。
瑞利判据——分辨率表达式
0.61 0.61 r n sin N .A 2
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2.光的吸收
光的振幅随透入深度增大而减小。
3.光的反射
单向反射
漫反射
反射力：物质对投射在它的表面或磨光面 上光线的反射能力 反射率： R=(Ir/Ii)×100%
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三、光在物质中的传播
1.光性均质体
各向同性介质
光在均质体中传播时，光的传 播速度和介质的折射率不因光 在介质中振动方向不同而发生 改变，所以只有一个折射率。
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四次消光：转动物台360°, 出现四次消光。 非均质体除垂直光轴以外 的切片为椭圆，长、短半径 与上、下偏光振动方向AA、 PP有四次平行的机会。 四次消光是非均质体的特征
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干涉现象
干涉条件：两束光振动频率相同，在同 一平面内振动，且存在光程差。 单色光干涉：明暗相间的条带
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白光干涉：干涉色
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2.4 光学显微分析样品的制备
光学显微分析对光片的要求：
（1）光片要能代表所要研究的对象
（2）光片的检测面平整光滑
（3）光片能显示所要研究的内部组织
结构
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代表性，锯、车、 刨、切，避免过热 和变形，规则外形， 合适大小。
去除表面损伤，获得 平整光滑表面。粗磨 （砂轮机）、细磨 （砂纸）
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(3)锥光镜
正交镜基础上，加聚光镜和勃氏镜，换高倍物镜
观察内容：不同方向的入射光通过晶体后，所产生
的消光和干涉现象的总和，称为干涉图（黑十字）。
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球晶的黑十字消光现象
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二、金相显微镜
研究不透明物体（薄片厚度在0.03mm以上）
1.金相显微镜的构造和工作原理
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1-灯泡； 2-聚光镜组1； 3-聚光镜组2； 4-半反射镜； 5-辅助透镜1； 6-物镜组； 7-反光镜； 8-孔径光阑； 9-视域光阑； 10-辅助透镜2； 11,12-棱镜； 13-场镜； 14-接目镜
反比
③光在真空中的传播速度最大，介质中N>1
④折射率色散:同一介质的折射率因为所用光
波波长的不同而不同；对于同一介质，波长与
折射率成反比；
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④晶体的折射率色散能力：晶体在两种波长光
波中测定的折射率的差值；
差值越大，晶体色散能力越强；反之则越弱 例如： 萤石的色散能力很小 金刚石的色散能力很强 N紫-N红=0.00868 N紫-N红=0.05741
1.均质体光率体
①是一个圆球体。 ②切面为圆切面，半径代 表折射率
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2.一轴晶光率体
常光：振动方向垂直光轴，且各方向折射率
相等， No
非常光：振动方向平行于光轴和传播方向构
成的平面，且折射率随振动方向而变化， Ne 例如：中级晶族（三方、四方、六方）晶体
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（1）一轴晶光率体的构成
一轴晶正光性光率体：以c轴为旋转轴的长形旋转椭 球体，光波平行光轴振动时的折射率总是比垂直光 23 轴振动时的折射率大，Ne＞No。
第2章 光学显微镜
罗伯特· 虎克制造的 显微镜（1665）
詹森父子制造的第 一台显微镜（约 1595年）
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主要内容
2.1 概述 2.2 晶体光学基础
2.3 光学显微分析方法
2.4 光学显微分析样品的制备
2.5 光学显微分析技术的进展
2.6 光学显微分析技术的应用
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2.1 概
述
一、光学显微镜的发展历史 二、光学显微镜的分类
☆锁光圈
☆聚光镜：凸透镜， 形成锥形偏光
☆载物台 游标尺、弹簧夹
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☆镜筒 粗动螺丝、微动螺丝 目镜 勃氏镜 上偏光镜 试板孔 物镜
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☆物镜 复式透镜 放大倍数 40× 数值孔径 0.65
机械筒长 ∞/0
数值孔径表示物镜的聚光能力，数值孔径越大，放 大倍数越高； 对于同一放大倍数的物镜，其数值孔径越大，分辨 38 率越高。
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一、光学显微镜发展历史
15世纪中叶：Frsncesco Stelluti， 放大镜（单式显微镜） 1590年 荷兰 Hans and Zacharias Janssen： 最早的复式显微镜
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17世纪中叶 R. Hooke：设计第一台性能较好 的显微镜
Christiaan Huygens：惠更斯目镜