Световая микроскопия полезных ископаемых

21.09.2020

Важными диагностическими свойствами минералов являются их оптические свойства, изучаемые методами световой микроскопии. В настоящее время отечественная оптическая промышленность освоила производство широкого ассортимента световых микроскопов и микроскопических устройств различного назначения. К ним относятся поляризационные микроскопы обычные и стереоскопические для проходящего и отраженного света; поляризационные микроскопы-спектрофотометры для измерения спектров отражения, пропускания и люминесценции; люминесцентные и инфракрасные микроскопы; микроскопические интегральные устройства для фазового и гранулометрического анализов минеральных агрегатов; микрорефрактометры и др.

При исследовании минералогических проб проводят наблюдения прозрачных, главным образом породообразующих минералов в проходящем свете (оптическая минералогия) и непрозрачных, главным образом рудных минералов в отраженном свете (рудная микроскопия, минераграфия).

Для изучения прозрачных минералов применяются поляризационные микроскопы серии Полам для проходящего света, из которых особый интерес представляют лабораторные Полам Л-211, Л-213 и рабочие Полам P-112 и P-113 модели. Микроскоп Полам Л-213 разработан вместо хорошо известного поляризационного микроскопа МИН-8. Оптическая схема микроскопа Полам Л-213 и его общий вид приведены на рис. 2.7 и 2.8.


При изучении рудных минералов в отраженном свете применяют поляризационные микроскопы и рефлекторы для получения вертикально падающего света. Последние называют опак-иллюминаторами и помещают между тубусом микроскопа и объективом.

Пучок света, направленный от осветителя в окно опак-иллюминатора (рис. 2.9), встречая на пути рефлектор (стеклянную пластинку, установленную под углом 45° к падающему свету, или стеклянную призму), отражается от него вниз, затем проходит через объектив и падает на полированную поверхность шлифа. От нее свет отражается вверх, проходит через объектив, далее через окуляр и попадает в глаз наблюдателя. Общая схема рудного микроскопа показана на рис. 2.10.

В настоящее время вместо выпускавшихся ранее рудных микроскопов МИН-6 и МИН-9 разработаны рудные микроскопы Полам Р-311 и Полам Р-312. Микроскопы могут быть моно- и бинокулярные, наиболее удобны бинокулярные.

К основным диагностическим оптическим свойствам минералов, изучаемым с помощью поляризационных микроскопов для проходящего света, относятся преломление и поглощение поляризованного излучения.

Рудные микроскопы применяют в основном для исследования отражательной способности минералов и их цвета в отраженном излучении, которые также являются диагностическими свойствами.

Известно, что скорость света v при прохождении через вещество меньше его скорости в вакууме (с = 3*10в10 см/с). Показатель преломления n вещества определяется как отношение скорости света в вакууме к его скорости в веществе n = c/v.

Минералы кубической сингонии, являющиеся изотропными веществами, имеют один показатель преломления (табл. 2.18).

Изотропия (изотропность) — независимость свойств физических объектов от направления, то есть вещество проявляет одинаковые или однородные свойства во всех направлениях и одинаково реагирует на внутренние или внешние источники воздействия. Оптическая изотропия характерна для таких веществ, как газы, жидкости и кристаллы кубической сингонии, которые пропускают свет с одинаковой скоростью во всех направлениях. Изотропия зависит от природы источника воздействия и объема. Например, кристалл, оптически изотропный по отношению к видимому облучению, не изотропен при своем взаимодействии с рентгеновскими лучами. Порода же достаточно большого объема, состоящая из беспорядочно ориентированных анизотропных кристаллов, может вести себя как изотропное тело в поле напряжений.

Для изотропных минералов показатель, преломления можно описать соотношением синусов углов падения i и преломления r луча света, падающего на данное вещество (рис. 2.11):
Световая микроскопия полезных ископаемых

Все кристаллы, за исключением относящихся к кубической сингонии, оптически анизотропны.

Анизотропными являются вещества, у которых физические свойства в разных направлениях проявляются в различной степени. Определенная реакция этих веществ на внешнее воздействие также меняется в зависимости от направления его приложения.

Вещество, при прохождении света через которое проявляется оптическая анизотропия, называется двупреломляющим. Анизотропные оптически непрозрачные вещества отражают или поглощают свет в различной степени в зависимости от угла и степени поляризации падающего света.

Минералы, кристаллизующиеся в гексагональной, тригональной или тетрагональной сингонии, являются оптически одноосными, и их оптическая ось совпадает с кристаллографической осью.

Луч света, проходящий параллельно оптической оси, называется обыкновенным, и колебания его распространяются таким образом, как если бы минерал был изотропным в этом направлении. Показатель преломления, связанный с колебаниями вдоль обыкновенного луча, обозначается символом no. Свет, проходящий перпендикулярно к оптической оси, расщепляется на два плоскополяризованных луча; оба эти луча обыкновенные, но имеют различные скорости, вследствие чего соответствующие показатели преломления обозначаются символами no и ne. Если ne > no, минералы относятся к оптически положительным; если ne < no— к оптически отрицательным (табл. 2.19).

Свет, распространяющийся в любом другом направлении, кроме параллельного и перпендикулярного к оптической оси, разбивается на два луча, один из которых — обыкновенный с показателем преломления n0, а другой — необыкновенный с показателем преломления ne. Значение показателя преломления при этом — промежуточное между ne и no.

Минералы, кристаллизующиеся в ромбической, моноклинной или триклинной сингонии, являются оптически двуосными. Двуосные минералы имеют три показателя преломления, характеризующие направления распространения трех взаимно перпендикулярных лучей X, Y и Z. Свет, проходящий параллельно каждому из этих трех направлений, распадается на два плоскополяризованных луча, при этом оба они обыкновенные. Для света, распространяющегося параллельно У, один луч имеет высокий (ng), а другой — низкий (np) показатели преломления (иногда они обозначаются nz и nx). Свет, проходящий перпендикулярно к Y, то есть параллельно плоскости XZ, расщепляется на два луча, один из которых характеризуется средним показателем преломления nm, отвечающим направлению Y, а другой — промежуточным показателем, соответствующим плоскости XZ. Из всех направлений, перпендикулярных к Y, для двух направлений значения обоих показателей преломления одинаковы. Свет, проходящий в одном из указанных направлений, ведет себя, как в изотропной среде. Эти два направления являются оптическими осями. Свет, распространяющийся в любом другом направлении, отличном от трех главных осей, распадается на два плоскополяризованных луча, которые являются необыкновенными и характеризуются показателями преломления ng и np.

Если значение nm ближе к np, чем к ng, то минерал относят к положительным двуосным. Если nm ближе к ng, чем np, минерал является отрицательным двуосным.

Показатели преломления природных минералов — от прозрачных до окрашенных в желтый цвет — меняются в пределах от 1,309 (лед) до 3,20 (киноварь). Около 54 % из ныне известных минералов характеризуются показателями преломления в диапазоне 1,475 — 1,700.

У прозрачных минералов с полустеклянным и стеклянным блеском показатели преломления варьируют в пределах 1,3-1,9; у минералов с алмазным блеском от 1,9 до 2,6; у минералов с полуметаллическим блеском — от 2,6 до 3. У минералов с металлическим блеском показатели преломления обычно 3.

Значения показателей преломления, как правило, существенно меняются в зависимости от длины световой волны. Если длина волны не указана, то приводимый показатель преломления относится к свету определенной длины волны: «желтый свет» — линия натрия D (589,3 нм).

Разность между показателями преломления двух различных длин волн называется дисперсией. Обычно дисперсию описывают как разность между показателями преломления для голубого света — линия водорода Hв или F (486,13 нм) и для красного света — линия На или С (656,28 нм): nF—nC. Дисперсия (nF—nC) в прозрачных минералах варьирует от 0,004 (флюорит) до 0,23 (ферросфалерит). Большинство минералов характеризуется значениями дисперсии между 0,006 и 0,020. Дисперсия обычно возрастает с увеличением значения преломления.

Показатели преломления минерала определяются иммерсионным методом путем постепенного подбора для минерала, истертого в порошок, соответствующей ему жидкости с известным показателем преломления. В иммерсионном наборе, состоящем обычно из 30—50—100 флакончиков емкостью около 1—2 мл, содержащих жидкости с различными показателями преломления в интервале от 1,4 до 1,8, показатели преломления жидкостей приведены для света с длиной волны 589 нм (свет раскаленных паров натрия; спектральная линия D; обозначения: nD, nNa и n589). Также указывается температура, при которой жидкости имеют приведенные показатели преломления (обычно 20°С).

Кроме жидкостей в качестве иммерсионных сред можно использовать твердые вещества — «сплавы» (например, пиперина с иодидами мышьяка и сурьмы; серы с селеном), которые после расплавления на предметном стекле застывают в виде оптически изотропной прозрачной массы. Работа со сплавами менее удобна, чем с жидкостями. Если исследуемый минерал поддается воздействию органических растворителей, жидкости обычного иммерсионного набора оказываются непригодными. В этом случае могут быть применены высокопреломляющие водные растворы — жидкость Туле (показатель до 1,71) и жидкость Сушина — Рорбаха (показатель до 1,79).

Наиболее распространенные приборы для измерения показателей преломления иммерсионных сред — рефрактометры — основаны на наблюдении полного внутреннего отражения света на границе двух сред. Применяют рефрактометр с полусферой (кристалл-рефрактометр Аббе, Аббе-Чанского, Клейна), рефрактометр с составной призмой (рефрактометр Аббе, Аббе-Пульфриха), рефрактометр с неподвижной призмой (рефрактометр Пульфриха) и микрорефрактометры — приспособления, позволяющие использовать микроскоп в качестве рефрактометра (например, федеровский столик с высокопреломляющими сегментами). Можно показатель преломления иммерсионных сред измерять гониометрическим способом, применяя гониометры-спектрографы ГС-5 и ГС-10. Наиболее распространенными типами рефрактометров из применяемых в практике минералого-петрографических исследований являются рефрактометры ИРФ-22 и ИРФ-23. Первый обеспечивает измерение показателей преломления иммерсионных жидкостей в пределах 1,3—1,7, а второй- в интервале 1,33—1,780. В последнее время отечественной промышленностью создан микрорефрактометр МРФ-1, допускающий измерение показателей преломления жидкостей в широком диапазоне величин (1,00—2,20) непосредственно под микроскопом.

Показатель преломления зерна, погруженного в жидкость или другую среду, и показатель преломления этой среды Moiyr быть быстро сравнены между собой посредством наблюдения линии контакта их под микроскопом при затемнении части поля зрения. Выпускаются микроскопы, снабженные специальными скользящими заслонками. Наблюдение лучше производить со слабым или средним обьективом и без конденсорной линзы. При работе со слабым объективом у минерала, обладающего определенно более высоким светопреломлением по сравнению с жидкостью, появляется темная каемка на затемненной стороне поля зрения и светлая — на противоположной стороне. Если же имеем зерно с определенно меньшим светопреломлением, то получается обратная картина: светлая каемка появляется на затемненной стороне минерала. Если данное зерно изотропно, то в монохроматическом свете (если зерно и жидкость прозрачны и имеют одинаковые показатели преломления для данного света) оно должно исчезнуть в жидкости. Так как обычно употребляемые жидкости характеризуются большей дисперсией, чем большинство минералов, то в том случае, когда минерал и жидкость имеют один и тот же показатель преломления для Na-света, минерал должен располагать более высоким светопреломлением для красного конца спектра и более низким — для синего. Следовательно, в белом свете концентрация красного цвета наблюдается на одной стороне зерна и синего — на другой его стороне.

Способ косого освещения (или одностороннего экранирования, или бокового освещения) может быть реализован при работе с микроскопами МИН-8 и ПОЛАМ, снабженными для этой цели специальными приспособлениями.

Другой способ сравнения показателей преломления объектов в иммерсионном препарате — способ Бекке — основан на наблюдении подвижной световой полоски, возникающей вблизи границы раздела двух сред с различными показателями преломления при дефокусировке микроскопа. При поднятии тубуса (или опускании предметного столика микроскопа) полоска перемещается в сторону более высокопреломляющей среды с большим коэффициентом преломления, а при опускании тубуса (или подъеме столика) микроскопа — в сторону среды с меньшим коэффициентом преломления. В случае равенства показателей преломления двух сред полоска Бекке исчезает, так как не происходит преломления света на границе двух сред. Однако исчезновение полоски Бекке может быть достигнуто только при работе в монохроматическом свете. При освещении препарата белым светом вследствие различий в величинах дисперсии показателей преломления жидких и твердых сред равенство их и, следовательно, исчезновение полоски Бекке может наступить только для лучей какой-либо одной длины волны видимого света.

Это приводит к образованию цветных полос Бекке. Ниже приведен характер окраски цветных полос Бекке, которая зависит от того, в какой части спектра происходит пересечение кривых дисперсий двух сред:

Световую полоску Бекке обычно наблюдают с микрообъективами средних увеличений (20х—40х); препарат освещают параллельным пучком лучей, направленных вдоль оси микроскопа, оптимальный размер зерен диагностируемого минерала в препарате 0,05—0,1 мм.

Способ кольцевого экранирования основан на наблюдении оптического эффекта, возникающего в иммерсионном препарате на краях зерен при экранировании лучей, преломленных объектом. Если в фокальной плоскости объектива микроскопа поместить непрозрачный экран так, чтобы он закрыл точки фокальной плоскости, в которых собираются лучи, преломленные краями зерна, то в изображении на его краях будет наблюдаться резкая темная кайма.

При равенстве показателей преломления двух сред темная кайма исчезает и кристалл становится невидимым, что имеет место при работе в монохроматическом свете. При применении же белого света в этом случае на краях зерна возникает цветной эффект. Наблюдаемая окраска выражена тем узким участком спектра, в котором уравниваются показатели преломления двух сред.

Эффект кольцевого экранирования наблюдается одновременно на всех зернах препарата, находящихся в поле зрения микроскопа при фокусировании последнего на объект. Это обстоятельство существенно облегчает определение главных показателей преломления анизотропных минералов статистическим методом.

Оптимальный размер зерен в препарате -0,1 мм и более. Способ кольцевого экранирования применяется при работе с микроскопами МИН-8 и современными поляризационными микроскопами серии Полам, оснащенными для этой цели специальными приспособлениями.

Способ темного поля основан на наблюдении оптического эффекта, возникающего на краях зерен при экранировании лучей, прошедших через объект без преломления. В образовании изображения объекта в этом случае принимают участие лишь лучи, отклоненные краевыми частями зерна. Вследствие этого края зерна при различии в показателях преломления сред ярко освещены и резко выделяются на темном фоне поля зрения. При равенстве показателей преломления двух сред и при освещении препарата монохроматическим светом изображение контуров кристалла исчезает. Если же препарат освещается белым светом, то, как и в случае кольцевого экранирования, на краях кристаллических зерен возникает цветной эффект. При этом наблюдаемые окраски являются дополнительными к той длине волны (практически узкой части спектра), для которой уравниваются показатели преломления двух сред.

Размер зерен исследуемого вещества в препарате должен быть значительно меньше, чем при кольцевом экранировании; оптимальный размер 0,01—0,05 мм. Способ применяется в работе с поляризационными микроскопами серии Полам, в комплекте которых имеются необходимые для этого приспособления, а также на микроскопах МИН-8 с помощью устройства Радуга-2 или фазового контрастного конденсора (КФ-4 или КФ-5; в комплект микроскопа не входят).

Способ фазового контраста основан на искусственном вмешательстве в фазовые соотношения лучей, участвующих в образовании изображения бесцветных прозрачных объектов. Установлено, что если прозрачный объект незначительно отличается по показателю преломления от окружающей его среды, то фаза колебания дифрагированного (отклоненного объектом) света отличается приблизительно на ±п/2 от фазы колебания света, прошедшего через объект без отклонения.

Если в этом случае изменить фазу колебания прямого света на ±п/2, то в зависимости от соотношения показателей преломления двух сред изображение объекта окажется светлее или темнее фона:

При равенстве показателей преломления двух сред эффект фазового контраста не возникает и изображение объекта становится невидимым, если препарат освещают монохроматическим светом. В белом же свете в препарате возникает цветной эффект:

Для практического применения метода фазового контраста отечественной промышленностью выпускаются фазово-контрастные устройства КФ-4 и КФ-5, рассчитанные на позитивный фазовый контраст. Они могут быть применены на микроскопах МИН-8 и МПО. Этот способ используется также при работе с лабораторным микроскопом Полам Л-211, в комплект которого введены необходимые приспособления.

Оптимальный размер зерен в препарате при употреблении объектива х40 — 0,008—0,012 мм, а при объективе х90 — 0,004—0,006 мм.

Среди рассмотренных способов сравнения показателей преломления двух сред ни один не является универсальным. Рациональность выбора для работы того или иного способа определяется характером исследуемого материала: при исследованиях крупно- и среднезернистых препаратов, приготовленных из бесцветных минералов, удобнее пользоваться кольцевым и односторонним экранированием и методом Бекке; при исследовании мелко- и тонкозернистых препаратов, а также в случае окрашенных минералов — центральным экранированием (метод темного поля); при изучении особо тонкодисперсных объектов — методом фазового контраста.

У изотропных кристаллов показатель преломления не зависит от направления распространения света в кристалле и измеряется в любом сечении (то есть в любом зерне). При исследовании анизотропных кристаллов, не имеющих заметной спайности, успешно применяется статистический метод определения показателей преломления. Последний базируется на положении теории вероятности, согласно которому при достаточном числе зерен минерала в иммерсионном препарате всегда найдутся такие сечения, в которых определены главные показатели преломления. Определение главных показателей преломления основано на дисперсионном эффекте, наблюдаемом на различных зернах иммерсионного препарата. Однако этот метод не обеспечивает надежных результатов при малых количествах вещества, при исследовании минералов, имеющих переменный состав, а также при работе со смесями минералов с перекрывающимися показателями преломления. В этом случае применяют теодолитный метод либо с применением столика Федорова, либо с применением вращающейся иглы. Для практического применения этого способа служит специальное приспособление к микроскопу (ППМ-1 и ППМ-2).

После измерения оптических констант минеральных зерен иммерсионным методом обращаются к определителю-справочнику Е. Ларсена и Г. Бермана с целью идентификации минерала.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна