1、晶体光学与造岩矿物晶体光学与造岩矿物任课教师：刘任课教师：刘 翠翠联系方式：联系方式：010-82321672010-82321672 1352096816913520968169E-Mail:E-Mail:2011.11.72011.11.7教材与实习指导书教材与实习指导书(1)晶体光学与造岩矿物，林培英主编，晶体光学与造岩矿物，林培英主编，北京：地质出版社，北京：地质出版社，20052005(2)晶体光学实验报告册，晶体光学实验报告册，中国地质大中国地质大学（北京）岩石矿物教研室编，学（北京）岩石矿物教研室编，2006 下课后班长到下课后班长到我办公室取我办公室取上课与考试上课与考试需要作
2、好课前预习，课后复习需要作好课前预习，课后复习课堂要求：不迟到、不早退课堂要求：不迟到、不早退期末考试期末考试=薄片鉴定考试笔答考试薄片鉴定考试笔答考试考试成绩考试成绩=实习报告期末考试实习报告期末考试晶体光学的参考书晶体光学的参考书1.成都地质学院，李德惠，晶体光学，地质出版成都地质学院，李德惠，晶体光学，地质出版社，社，19842.北京大学地质学系岩矿教研室，光性矿物学，北京大学地质学系岩矿教研室，光性矿物学，地质出版社，地质出版社，1979，19883.曾广策等主编，晶体光学及光性矿物学曾广策等主编，晶体光学及光性矿物学.武汉：武汉：中国地质大学出版社，中国地质大学出版社，20064.N
3、esse W.D.Introduction to Optical Mineralogy,Oxford Univ.Press,2004Nesse W.D.Introduction to Optical Mineralogy,Oxford Univ.Press,2004引言引言:什么是晶体光学什么是晶体光学为什么学习晶体光学为什么学习晶体光学 1.1.晶体光学晶体光学(透明矿物晶体光学透明矿物晶体光学)是研究是研究可见光可见光,尤其是尤其是可见偏光可见偏光通过透明矿物晶通过透明矿物晶体所产生的体所产生的折射、双折射、偏振、干涉、折射、双折射、偏振、干涉、吸收、色散吸收、色散等一系列光学现象的基础学
4、科等一系列光学现象的基础学科.使用的主要仪器有透射偏光显微镜、偏光使用的主要仪器有透射偏光显微镜、偏光仪等。仪等。透明矿物透明矿物不透明矿物不透明矿物2.2.绝大多数造岩矿物、宝玉石矿物在薄绝大多数造岩矿物、宝玉石矿物在薄片中是透明的，晶体光学是鉴定和研究片中是透明的，晶体光学是鉴定和研究岩石和宝玉石显微结构的基本技术。岩石和宝玉石显微结构的基本技术。3.3.晶体光学和造岩矿物是岩石学、晶体光学和造岩矿物是岩石学、矿物学、宝玉石学和材料科学等学矿物学、宝玉石学和材料科学等学科研究的基础课程之一。科研究的基础课程之一。第一章第一章 晶体光学基础晶体光学基础第二章第二章 光率体与光性方位光率体与光
5、性方位第三章第三章 偏光显微镜偏光显微镜第四章第四章 单偏光单偏光下晶体光学性质下晶体光学性质第五章第五章 正交偏光正交偏光下晶体光学性质下晶体光学性质第六章第六章 锥光锥光下晶体光学性质下晶体光学性质第七章第七章 主要造岩矿物主要造岩矿物晶体光学与造岩矿物内容晶体光学与造岩矿物内容第一章第一章 晶体光学基晶体光学基础础 第一节 光的性质光和无线电波一样都是电磁波（牛顿：微粒说；光和无线电波一样都是电磁波（牛顿：微粒说；惠更斯：波动说；麦克斯韦惠更斯：波动说；麦克斯韦+赫兹：电磁波；爱赫兹：电磁波；爱因斯坦：光子假说），具有波粒二象性因斯坦：光子假说），具有波粒二象性电磁波是电磁振动（变化的电
6、磁场）在空间的传电磁波是电磁振动（变化的电磁场）在空间的传播播1.光是电磁波第一节 光的性质波长单位通常用纳米波长单位通常用纳米(nm)或埃或埃()，常用长度单位的换算关系为：，常用长度单位的换算关系为：1 m(米米)=103 mm (毫米毫米)=106 m(微米微米)=109 nm(纳米纳米)=1010(埃埃)有关参数和公式有关参数和公式:v v =3 105 km/s（3 108 m/s）(每秒每秒30万公里万公里)(真空）真空）e=m e=m c c2 2v v=f 或或 f=v v/f电磁波的频率，电磁波的频率，每秒振动次数每秒振动次数,单位单位 s-1 波长波长,单位单位nm 电磁波
7、的振电磁波的振动方向与传播方向互动方向与传播方向互相垂直，即电磁波是相垂直，即电磁波是横波，故光波亦是横横波，故光波亦是横波。波。光波是横波光波是横波的概念，在晶体光学的概念，在晶体光学中有不少现象中有不少现象(单偏单偏光、正交偏光、干涉光、正交偏光、干涉)都与此特征有关。都与此特征有关。第一节第一节 光的性质光的性质2.2.电磁波是横波电磁波是横波电磁波有一个广阔的区段，电磁波有一个广阔的区段，波长波长范围范围:10:101515-10-10-5-5nmnm按波长大小，划分为按波长大小，划分为:无线电波无线电波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线X X 射线射线 射线射线,等等3.3.电磁波
8、波谱电磁波波谱第一节第一节 光的性质光的性质能量能量增大增大频率频率增大增大可见光是电磁波谱中很窄的一段，它是正常人的眼睛能可见光是电磁波谱中很窄的一段，它是正常人的眼睛能见到的一段电磁波它的波长范围大致为见到的一段电磁波它的波长范围大致为390390770nm770nm 单色光是特定波长的光单色光是特定波长的光波波长长增增大大颜色颜色颜色颜色波长范波长范波长范波长范围围围围代表波长（标准色）代表波长（标准色）代表波长（标准色）代表波长（标准色）紫紫紫紫390-430390-430390-430390-430410410410410靛靛靛靛430-460430-460430-460430-46
9、0445445445445蓝蓝蓝蓝460-500460-500460-500460-500480480480480绿绿绿绿500-570500-570500-570500-570550550550550黄黄黄黄570-590570-590570-590570-590580580580580橙橙橙橙590-650590-650590-650590-650620620620620红红红红650-770650-770650-770650-770700700700700第二节第二节 自然光和偏光自然光和偏光 截面为圆，半径为振幅截面为圆，半径为振幅根据光波振动的特点，可以把光分为自然光和偏光。根据光波
10、振动的特点，可以把光分为自然光和偏光。1.1.自然光自然光：指直接由太阳或光源发出的、在垂直指直接由太阳或光源发出的、在垂直于光波传播方向的平面内作于光波传播方向的平面内作全方向全方向、等振幅等振幅振动振动的光。的光。偏光偏光自然光经过反射、折射、双折射或自然光经过反射、折射、双折射或选择性吸收等作用后，可以转变为选择性吸收等作用后，可以转变为只在一只在一个方向上振动个方向上振动的光波，称为偏振光或偏光。的光波，称为偏振光或偏光。振动面振动面偏光振动方向与传播方向所构成偏光振动方向与传播方向所构成的平面称为振动面。的平面称为振动面。2.2.偏光偏光偏光化作用偏光化作用将自然光转变为偏光的作用。
11、将自然光转变为偏光的作用。晶体光学是岩石观察的基础：晶体光学是岩石观察的基础：偏光显微镜岩石矿物薄片观察偏光下的特偏光显微镜岩石矿物薄片观察偏光下的特征征摄影方面摄影方面：过滤杂光滤光片，只让某一方向的光通过过滤杂光滤光片，只让某一方向的光通过就是偏光化作用就是偏光化作用过滤杂色滤色片，只让过滤杂色滤色片，只让 某种颜色光通过，如蓝色，大海和天空某种颜色光通过，如蓝色，大海和天空3.3.偏光化作用偏光化作用第三节第三节 光的反射与折射光的反射与折射一、光的直线传播定律一、光的直线传播定律 光在同一种物质中传播的路线是光在同一种物质中传播的路线是呈直线的，称为光的直线传播定律。呈直线的，称为光的
12、直线传播定律。例如：阳光照进房里、夜间手电筒、激光束、激例如：阳光照进房里、夜间手电筒、激光束、激光笔等的传播。光笔等的传播。二、光的反射及反射定律二、光的反射及反射定律反射反射(Reflection)：光从一种介：光从一种介质射入另一种介质时，在质射入另一种介质时，在光滑界面上，如果部分光光滑界面上，如果部分光仍回到原来的介质中，这仍回到原来的介质中，这种现象称为光的反射。种现象称为光的反射。反射定律反射定律1.反射光线位于入射光线与反射光线位于入射光线与界面的法线所决定的平面界面的法线所决定的平面内内;2.入射线和反射线分别位于入射线和反射线分别位于法线的两侧；法线的两侧；3.反射角与入射
13、角相等。反射角与入射角相等。反射光在地学中的应用反射光在地学中的应用反射现象与反射反射现象与反射率是非常重要的率是非常重要的,特别是在金属矿特别是在金属矿物与宝玉石行业，物与宝玉石行业，非常有用。非常有用。矿相学：反光显矿相学：反光显微镜微镜,用于不透用于不透明的金属矿物观明的金属矿物观察察,例如黄铁矿、例如黄铁矿、方铅矿、闪锌矿方铅矿、闪锌矿等。等。不透明的金属矿物反射图像不透明的金属矿物反射图像三、光的折射及折射定律三、光的折射及折射定律 光线从一种介质进光线从一种介质进入另一种介质，在界入另一种介质，在界面处传播方向便会发面处传播方向便会发生改变，即入射光线生改变，即入射光线和折射光线不
14、在一直和折射光线不在一直线上，这种现象称为线上，这种现象称为光的折射光的折射(Refraction).法线法线 入射角入射角 i折射角折射角 r1、定义：、定义：2 2、折射定律、折射定律（1)1)折射线处于入射折射线处于入射线与法线构成的平面线与法线构成的平面内；内；（2)2)入射线与折射线入射线与折射线分别位于法线两侧分别位于法线两侧,若光疏若光疏 光密光密,ir,反之光密反之光密 光光疏疏,i=1N=1引申：光波在介质中的引申：光波在介质中的传播速度与介质的折射传播速度与介质的折射率成反比；当光线由介率成反比；当光线由介质质A A进入介质进入介质B B时，有时，有V VA A/V/VB
15、B=N=NB B/N/NA A四、全反射四、全反射 当光线由当光线由B射入射入A，如，如果入射角增至一定角度，果入射角增至一定角度，使折射角等于使折射角等于90，这个，这个入射角称为入射角称为全反射临界全反射临界角角，简称，简称临界角临界角；入；入射角大于全反射临界角射角大于全反射临界角的所有入射线均发生全的所有入射线均发生全反射。反射。i=,r=90i ,全反射全反射四、折射率与临界角的关系及其应用四、折射率与临界角的关系及其应用N NB B sin sin i=N=NA A sin sin r若若i=,r=90N NB B sin sin =N=NA A sin sin 90=N NA A
16、所以：所以：sin sin N NA A N NB B若若A A为空气为空气，N NA A=1.0003=1.0003sin sin 1 1 N NB B则任何一个已知则任何一个已知N N的物质的物质,均可以求出均可以求出 例如：宝石加工，例如：宝石加工，金刚石金刚石 2420i=,r=90i ,全反射全反射 五、光的色散（Dispersion of Sunlight）白光分解成七色光称色散,也称火彩波长较长的红光折射率较小，波长较短的紫光的折射率较大自然光在三棱镜中的传播自然光在三棱镜中的传播分解成七色光对于不同波长的对于不同波长的光波，介质具有光波，介质具有不同的折射率。不同的折射率。通常
17、所称的折射通常所称的折射率是以黄色光作率是以黄色光作为光源时物质的为光源时物质的折射率。折射率。为什么研究折射率？为什么研究折射率？折射率值的大小是与晶体的化学成分和折射率值的大小是与晶体的化学成分和内部结构密切相关的，不同矿物的折射内部结构密切相关的，不同矿物的折射率值不同，因此折射率是鉴定矿物的重率值不同，因此折射率是鉴定矿物的重要光学常数之一。要光学常数之一。岩石薄片的许多鉴定特征岩石薄片的许多鉴定特征,如糙面如糙面突起突起贝克线贝克线 等都源自于基本的折射率特征。等都源自于基本的折射率特征。利用偏光显微镜观察利用偏光显微镜观察N,可以鉴定矿物的不可以鉴定矿物的不同种类。同种类。要点要点
18、折射、折射率、临界角的相互关系及其折射、折射率、临界角的相互关系及其意义，折射率是用光学方法鉴定透明矿意义，折射率是用光学方法鉴定透明矿物最可靠的参数；也是宝石加工的首选物最可靠的参数；也是宝石加工的首选参数。参数。第四节第四节 光在均质体与非均质体中的传播光在均质体与非均质体中的传播均质体包括等轴晶系矿物均质体包括等轴晶系矿物(如尖晶石、石榴石、萤石如尖晶石、石榴石、萤石等等)和非晶质体和非晶质体(如火山玻璃、树胶等如火山玻璃、树胶等)，它们的光学，它们的光学性质在各方向相同，称为性质在各方向相同，称为光性均质体光性均质体。非均质体包括中级晶族和低级晶族的矿物非均质体包括中级晶族和低级晶族的
19、矿物(如石英、如石英、橄榄石、辉石、角闪石、长石等橄榄石、辉石、角闪石、长石等)，其光学性质随方，其光学性质随方向而变化，称为向而变化，称为光性非均质体光性非均质体。均质体均质体 等轴晶系矿物（石榴石）等轴晶系矿物（石榴石）透明物质透明物质(晶体晶体)非晶质体（火山玻璃）非晶质体（火山玻璃）非均质体非均质体中、低级晶族矿物中、低级晶族矿物光性均质体光性均质体 光性非均质体光性非均质体 一、光性均质体一、光性均质体(各向同性介质各向同性介质)1.1.定义定义 均质体均质体光波入射晶体后，其在各个方向上的光波入射晶体后，其在各个方向上的传播速度都相等，所以只有一个折射率，不改变入射光传播速度都相等
20、所以只有一个折射率，不改变入射光波的性质，这样的物体称为光性均质体，简称波的性质，这样的物体称为光性均质体，简称均质体均质体。2.2.其其N N在各个方向一样在各个方向一样,可以使光反射和折射可以使光反射和折射,但是不改变但是不改变入射光的性质。入射光的性质。自然光自然光仍为自然光仍为自然光偏偏 光光仍为仍为偏偏 光光3.3.对于一种均质体对于一种均质体,其其N N是唯一的是唯一的.4.4.物质举例物质举例:常见造岩物质中的均质体常见造岩物质中的均质体石榴子石石榴子石石榴子石石榴子石白榴石白榴石白榴石白榴石萤石萤石萤石萤石尖晶石尖晶石尖晶石尖晶石火山玻璃火山玻璃火山玻璃火山玻璃蛋白石蛋白石蛋
21、白石蛋白石石盐石盐石盐石盐常见造岩物质中的均质体常见造岩物质中的均质体石榴子石石榴子石石榴子石石榴子石白榴石白榴石白榴石白榴石萤石萤石萤石萤石尖晶石尖晶石尖晶石尖晶石火山玻璃火山玻璃火山玻璃火山玻璃蛋白石蛋白石蛋白石蛋白石石盐石盐石盐石盐萤石萤石常见造岩物质中的均质体常见造岩物质中的均质体石榴子石石榴子石石榴子石石榴子石白榴石白榴石白榴石白榴石萤石萤石萤石萤石尖晶石尖晶石尖晶石尖晶石火山玻璃火山玻璃火山玻璃火山玻璃蛋白石蛋白石蛋白石蛋白石石盐石盐石盐石盐八面体八面体 ,通常呈红色通常呈红色(含含Cr),Cr),绿色绿色(含含FeFe3+3+)或褐黑色或褐黑色(含含FeFe2+2+和和FeFe3
22、3+)；玻璃光；玻璃光泽。无解理；偶有平行泽。无解理；偶有平行(111)(111)裂开。硬裂开。硬度度8 8。相对密度。相对密度3.553.55。尖晶石尖晶石(Spinel)(Spinel)(Spinel)(Spinel)M M M MgAlgAlgAlgAl2 2 2 2O O O O4 4 4 4二、光性非均质体二、光性非均质体(各向异性介质各向异性介质)1.1.定义：光波射入物质时，其传播速度定义：光波射入物质时，其传播速度随振动方向不同而发生变化，因而其折随振动方向不同而发生变化，因而其折射率值也因振动方向不同而改变，这样射率值也因振动方向不同而改变，这样的物体称为光性非均质体，简称
23、的物体称为光性非均质体，简称非均质非均质体体。非均质体的折射率不只是一个，而是两非均质体的折射率不只是一个，而是两个或三个。个或三个。2.2.双折射双折射当光波射入非均质体后，除特殊方向以外当光波射入非均质体后，除特殊方向以外一般都将分解成两束折射率不等、振动方向一般都将分解成两束折射率不等、振动方向互相垂直、速度不等的偏光，这种现象称为互相垂直、速度不等的偏光，这种现象称为双折射现象双折射现象。一切具有双折射特征的介质均称为光性非一切具有双折射特征的介质均称为光性非均质体均质体，双折射是光波通过非均质体的普遍，双折射是光波通过非均质体的普遍特征。特征。二、光性非均质体二、光性非均质体(各向异
24、性介质各向异性介质)举例：冰洲石的双折射现象举例：冰洲石的双折射现象 双折射现象可通过冰洲石来做双折射现象可通过冰洲石来做实验，如果将冰洲石（实验，如果将冰洲石（CaCO3）的一个解理面盖在有一个黑点的的一个解理面盖在有一个黑点的纸上，透过冰洲石则出现两个黑纸上，透过冰洲石则出现两个黑点，再在纸面上转动冰洲石时，点，再在纸面上转动冰洲石时，发现其中一个黑点发现其中一个黑点o始终不动，始终不动，而另一个黑点而另一个黑点e则围绕这个不动则围绕这个不动的黑点的黑点o作圆周运动。若将平躺作圆周运动。若将平躺的冰洲石慢慢以菱形的短轴的冰洲石慢慢以菱形的短轴(C轴轴)直立，则黑点直立，则黑点e向黑点向黑点
25、o靠拢，靠拢，甚至两点互相重合起来，说明光甚至两点互相重合起来，说明光波沿波沿C轴入射不发生双折射，这轴入射不发生双折射，这个特殊方向称为光轴。个特殊方向称为光轴。光轴光轴若某一特殊方向，如中级若某一特殊方向，如中级晶族的晶族的C C轴方向，轴方向，e-oe-o重合，则此方重合，则此方向就是光轴方向。中级晶族只有向就是光轴方向。中级晶族只有1 1个光轴方向，低级晶族有个光轴方向，低级晶族有2 2个光轴个光轴方向。方向。举例：冰洲石的双折射现象举例：冰洲石的双折射现象3.双折射率（双折率）双折射率（双折率）光波射入一轴晶矿物（非均质矿物）时，发生光波射入一轴晶矿物（非均质矿物）时，发生双折射并分
26、解形成两种偏光双折射并分解形成两种偏光:常常 光光o ordinary,方向垂直方向垂直C轴轴,各个方向各个方向速度和速度和N都完全相同都完全相同折射率为折射率为No非常光非常光e extraordinary,平行平行C轴与传播方向轴与传播方向构成的平面构成的平面,且振动方向不同且振动方向不同,速度和速度和N不同不同折射率为折射率为Ne双折射率双折射率两种偏光的折射率值之差，称为两种偏光的折射率值之差，称为双折射率双折射率,表示为表示为 N。如：冰洲石如：冰洲石,No=1.658,Ne=1.486，N NoNe0.1724.光性与晶族的关系光性与晶族的关系 三方晶系冰洲石，水晶三方晶系冰洲石，水晶 中级晶族（一轴晶）中级晶族（一轴晶）四方晶系锆石四方晶系锆石 六方晶系绿柱石，磷灰石六方晶系绿柱石，磷灰石 斜方晶系斜方晶系Ol 低级晶族（二轴晶）低级晶族（二轴晶）单斜晶系透辉石单斜晶系透辉石 三斜晶系三斜晶系Pl光性非均质体源自晶体内部结构差异，包括离子光性非均质体源自晶体内部结构差异，包括离子种类、键性、离子排列形式、堆积紧密程度等。种类、键性、离子排列形式、堆积紧密程度等。
