Главная страница
Навигация по странице:

  • Влияние кристаллического поля.

  • Теория зон.

  • Роль молекулярных орбиталей.

  • Оптические явления.

  • Связь блеска и показателей преломления

  • Двупреломление.

  • Курсовая. Оптические свойства кристаллов.. Оптическая классификация с кристаллов Свет и его взаимодействие с кристаллом


    Скачать 1.7 Mb.
    НазваниеОптическая классификация с кристаллов Свет и его взаимодействие с кристаллом
    Дата24.07.2018
    Размер1.7 Mb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаКурсовая. Оптические свойства кристаллов..docx
    ТипДокументы
    #48762
    страница2 из 4
    1   2   3   4

    Таблица.





    Разность хода dneno

    (нм)

    Цвет в скрещенных поляризаторах

    № порядка

    260

    белый



    1

    300

    желтый

    500

    оранжевый

    550

    красный

    565

    малиновый


    2

    590

    синий

    660

    голубой

    728

    зелено-голубой

    840

    зелено-желтый

    910

    желтый

    950

    оранжевый

    1100

    светло-малиновый

    1130

    серо-голубой


    3

    1380

    зеленый

    1430

    желтый

    1530

    оранжевый

    1650

    беловато-малиновый

    1710

    зеленый


    4

    2000

    серый

    2050

    светло-красный


    При разности хода, равной 555 нм, наблюдается, как мы уже говорили, фиолетово-крас ный оттенок, который повторяется при увеличении разности хода в два, три и т.д. раза. Поэтому все интерференционные полосы условно делятся на полосы 1, 2, 3,… порядков в за висимости от разности хода, вносимой пластинкой. При разности хода, лежащей в интервале от 0 до 555 нм, говорят о полосах первого порядка, при разности хода от 555 нм до 1100 нм говорят о полосах второго порядка и т.д. Определяемый таким образом порядок интерферен ции указан в третьем столбце таблицы. Пластинка «чувствительного оттенка» и кварцевый клин применяются в дальнейшем для определения оптического знака кристалла.

    12

      1. Отражение света


    Если свет падает на плоскую и гладкую поверхность раздела двух прозрачных изотропных сред, то он отражается, следуя законам: 1) падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости нормалью к отражающей поверхности, 2) угол падения равен углу отражения (рис. 2.3.1).
      1. Преломление света


    Когда пучок света переходит из менее плотной изотропной среды в более плотную перпендикулярно границе между ними, то его скорость уменьшается, но не меняется направление движения.

    Однако, когда пучок света падает на границу раздела сред под острым углом, снижение скорости на этой границе заставляет лучи изгибаться, или преломляться. Преломление происходит по следующим законам: 1) луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с нормалью к преломляющей поверхности, 2) отношение синуса угла падению к синусу угла преломления есть величина постоянная для данной пары сред, не зависящая от угла падения (рис. 2.4.2). Эта величина, обозначаемая n, называется показателем преломления среды, в которую вошел луч, относительно среды, из которой он вышел. Если, говоря о показателе преломления какой-либо среды, не указывают другую, то имеют в виду показатель преломления данной среды относительно пустоты, т.е. предполагают, что свет идет из пустоты в данную среду.

    Показатель преломления вещества, так же как и плотность, зависит от его химического состава и кристаллической структуры. Удельный вес (G) и показатель преломления приближенно связаны соотношением: (n-1)/G = K, где K – константа, зависящая от состава вещества.

    Явление преломления света было известно еще до нашей эры, но точные законы преломления были установлены Снеллиусом, профессором математики в Лейдене (Голландия), только в 1618г и независимо от него Декартом в 1637г.

    Когда луч света идет из более преломляющей среды в менее преломляющую, то, по закону преломления, показатель преломления больше 1. Будем постепенно увеличивать угол падения, пока он не примет максимального значения, допускаемого формулой. При таком значении угол отражения становится равным 90 градусов, а его синус равным единице. Следовательно, если угол падения будет больше максимально допустимого значения, то синус его должен быть больше единицы, что невозможно. Значит, при угле падения, который больше максимального, преломление отсутствует. В этом случае свет полностью отражается. Такое отражение называется полным внутренним.

      1. Дисперсия света


    Существует еще одно явление, известное с древности, но изученное не очень давно. Ньютон в 1672г экспериментально показал, что луч белого света, проходя через стеклянную призму, разлагается в спектр, состоящий из множества лучей разного света, от красного до фиолетового, постепенно переходящих один в другой. Явление разложения белого света, называемое дисперсией, указывает на то, что лучи разной окраски имеют различный показатель преломления (рис. 2.5.3). При нормальной дисперсии, наблюдаемой в неокрашенных прозрачных средах, красный свет имеет наименьший, а фиолетовый наибольший показатель преломления. При аномальной дисперсии, наблюдаемой в окрашенных средах, этот порядок нарушается в том месте спектра, где происходит поглощение света. Свет какой-либо одной спектральной окраски называется монохроматическим. Строго монохроматический свет получит невозможно, так как для этого пришлось бы выделить из спектра бесконечно узкую линию. Яркость такого цвета была бы бесконечно мала. И видеть такой свет мы не могли бы.

    Эти два явления вполне могут дать ответ на вопрос о том, почему граненые драгоценные камни играют всеми цветами радуги. Форма, которую придают камню при огранке, не случайна. Она подбирается так, чтобы каждый луч, вошедший в граненый камень, не прошел сквозь камень, а после преломления и отражения в других гранях, повернул бы обратно (рис. 2.5.4). Для этого существуют свои законы, приемы и расчеты. Иногда при огранке, стачивая ненужные углы, приходится жертвовать почти половиной камня. Известны случаи, когда после огранки оказывалось, что форма подобрана неудачно, и приходилось перегранивать камень. так пришлось перегранить один из самых больших в мире алмазов «Коинур». По преданию, алмаз в необработанном виде весил 180 граммов. После первой огранки он весил лишь 37 граммов, а после второй – потерял в весе еще 16 граммов.

    Своеобразные явления, связанные с отражением и преломлением света, можно наблюдать и на естественно ограненных кристаллах. Примером могут служить фотографии, снятые академиком А.В.Шубниковым таким образом, что пучок света был пропущен сквозь многогранный кристалл, а за кристаллом стояла фотографическая пластинка. Проходя через кристалл, свет преломлялся на разных гранях. Поэтому на фотографической пластинке остался след не одного луча, а многих; узоры получились очень правильными и симметричными, потому что грани в кристалле расположены симметрично.
      1. Связь показателя преломления с симметрией кристалла


    Оптические индикатрисы

    Оптические свойства тесно взаимосвязаны с кристаллической структурой твердого тела. В кубических и некристаллических телах скорость света одинакова во всех направлениях, и, следовательно, показатель преломления не зависит от направления.
    Такие тела называются оптически изотропными. Во всех других веществах скорость света зависит от направления его колебаний. Такие вещества называются оптически анизотроп ными.

    Связь между показателем преломления и направлением в кристалле какого-либо вещества можно изобразить, проведя линии во всех направлениях от центра кристалла и, отложив на этих линиях отрезки, пропорциональные показателям преломления для световых колебаний, параллельных этим линиям. Если соединить концы этих отрезков, то получится фигура, называемая оптической индикатрисой. Для некристаллических тел и кубических кристаллов индикатриса представляет собой сферу, так как показатели преломления в данном случае одинаковы во всех направлениях. У веществ, кристаллизующихся в тетрагональной или гексагональной сингонии, индикатриса имеет форму эллипсоида вращения (рис. 2.6.5), в котором все сечения, перпендикулярные одной из осей, представляют собой круги. Эта ось совпадает с кристаллографической осью с кристалла. Такая форма индикатрисы определяется тем, что любой луч, проходящий в направлении к оси с, будет иметь одну и ту же скорость, так как его колебания совершаются в той самой плоскости, в которой лежат эквивалентные для данных двух сингоний горизонтальные кристаллографические оси. Поэтому вещества, кристаллизующиеся в тетрагональной или гексагональной сингонии, называют одноосными. Для кристаллов ромбической, моноклинной и триклинной сингоний индикатриса менее симметрична в соответствии с кристаллографической симметрией этих кристаллов. Она представляет собой трехосный эллипсоид (рис. 2.6.6). Одно из свойств такого эллипсоида заключается в том, что в нем можно провести только два круговых сечения, а все остальные сечения эллиптические. Лучи, проходящие вдоль нормалей к круговым сечениям, имеют равные скорости независимо от направления световых колебаний в плоскости этих сечений. Два направления, перпендикулярные круговым сечениям, называются оптическими осями. Поэтому вещества, кристаллизующиеся в ромбической, моноклинной и триклинной сингониях, называются двуосными.

    Ориентировка оптической индикатрисы в кристалле определяется симметрией этого кристалла. В триклинных кристаллах положение трех главных осей индикатрисы никак не связанно с направлениями кристаллографических осей. В кристаллах моноклинной сингонии одна из осей индикатрисы совпадает с кристаллографической осью b, а две другие лежат в плоскости ac, но не совпадают с осями а и с. В ромбических кристаллах все три главные оси индикатрисы по направлению совпадают с кристаллографическими осями. В гексагональных и тетрагональных кристаллах особая ось индикатрисы направлена вдоль оси с, а в круговом сечении индикатрисы, перпендикулярном особой оси, лежат кристаллографические оси а.
    Рисунок 2.3.1. Отражение света от границы двух сред.



    Рисунок 2.4.2.



    Рисунок 2.5.3. Дисперсия света.



    Рисунок 2.5.4. Огранка алмаза: а) ход луча в стекле и алмазе; б) ход лучей при правиль ной огранке; ход лучей при неправильной огранке: в) слишком глубокой г) слишком плоской.
    Рисунок 2.6.5. Оптические индикатрисы кристаллов средней категории (а – положитель ный кристалл, б – отрицательный кристалл).



    Рисунок 2.6.6. Оптическая индикатриса кристаллов низшей категории.



    1. Оптические эффекты


      1. Цвет

    Для большинства минералов, независимо от количества осей, характерно такое свойство как цвет. Цвет является одним из важнейших оптических свойств кристаллов. Для минералов цвет оказывает решающее влияние на декоративную ценность камня, косвенно – на их рыночную стоимость. Отсюда стремление к его оптимизации – так, чтобы цвет был наиболее привлекательным. Обычно это достигается с помощью правильного выбора соответствующего вида и способа огранки, и тщательной обработки.

    Цвет в прошлом был одним из важнейших критериев классификации камней. Обладал также культурной и религиозной символикой. Цвет отражается в названии камней (хлорит – от греч. choros – зеленый), а названия камней в определенных цветах (рубиновый, бирюзовый).

    Восприятие цвета зависит не только от стереометрических параметров камня и расстояния, с которого он изучается, так и от оттенков, насыщенности и яркости.

    Оттенок – определяет характерные отличия между зрительным восприятием из лучений: фиолетовых, голубых, зеленых, желтых, оранжевых, красных и пурпурных. Оттенок проявляется, когда при наблюдении узких полос спектра и наложении крайних полос (от 380 до 780 нм), возрастает доля коротковолнового излучения и одновременно уменьшается доля длинноволнового или наоборот. Глаз человека различает около 150 оттенков цвета. Для описания кристаллов достаточно 32 оттенков – от фиолетового до пурпурно-голубого.

    Насыщенность – степень участия хроматического цвета. Существует множество менее выразительных цветов, чем чистые (спектральные) цвета. Они смещены к хроматическому белому. Каждый из них можно получить, смешивая пучки узких полос спектра с пучком белого цвета. Получается излучение того же оттенка, но более бледное.

    Яркость – зрительно воспринимается как изменение цвета, без изменения оттенка и насыщенности. Это можно продемонстрировать, уменьшая световой поток, например, отодвигая источник света от наблюдаемого камня.

    В большинстве случаев окраска кристалла обусловлена выборочным поглощением части световых волн белого спектра. Получающийся цвет соответствует белому спектру за вычетом поглощенной его части. Когда белый свет, состоящей из всех цветов видимой части спектра электромагнитных волн, проникает в кристаллический материал, световые волны некоторой определенной длины проходят сквозь кристалл или отражаются от него, в то время как оставшаяся часть спектра поглощается. Примерами могут служить зеленый цвет изумруда, соответствующий пропусканию света в интервале длин волн от 5000 до 5500 Å, м пурпурно-красный цвет высококачественного рубина, соответствующий пропусканию смеси двух полос спектра: красно-оранжевой (6000 – 7000 Å) и синей ( 4400 – 4800 Å).

    Минералы, обладающие постоянным характерным для них цветом, называются идиохроматическими, а их окраска – собственной. В них цветопоглощающими центрами являются их основные компоненты. Минералы, цвет которых меняется от образца к образцу, называют аллохроматическими, а их цвет – примесным. В таких минералах механизм поглощения света в данном образце может действовать, а может не действовать. Кроме того, некоторые минералы обладают кажущимся цветом или несколькими цветами, не являющимися истинными и обусловленными «игрой цвета», связанной с определенными физическими эффектами. Такую окраску следует относить к псевдохроматической.

    Существует довольно много факторов, влияющих на явления поглощения, рассеивания, отражения и интерференции света. К важнейшим относят влияние: кристаллического поля, оптических явлений, зон, молекулярных орбиталей. Причины окраски минералов можно посмотреть в таблице 2.

    Влияние кристаллического поля. Цвет является результатом воздействия внутрикристаллических электростатических полей, вызванных координированными атомами, ионами или частицами, на электронную структуру ионов переходных металлов
    (Cr, Fe, Cu, Mn, Co, Ni, Ti, V) и редкоземельных элементов. Внешние электроны переходных элементов неустойчивы и особенно подвержены смещениям, так как они слабо связаны с ядрами атомов. Под действием света эти электроны переходят из своего основного состояния на уровень возбуждения, поглощая тем самым видимый свет с определенной длиной волны и пропуская остальную часть спектра, которая воспринимается глазом. Ионы, или группа ионов, вызывающие характерную окраску называются хромофорами.

    На примере рубина и изумруда процесс выглядит так. В этих минералах

    «окрашивающим» фактором являются ионы хрома, замещающие в решетке ионы алюминия. В рубине орбитальная энергия «световых» электронов иона Cr в кристаллическом поле способствует фиолетовой и зелено-желтой части спектра. Благодаря этому наблюдаемый дополнительный цвет является темно-красным с легким пурпурно-фиолетовым оттенком. В изумрудах воздействие кристаллического поля слабее, поэтому энергия возмущения ионов Cr соответствует длине волны красного, оранжевого, желтого и фиолетового цвета. Соответственно, цвет изумруда будет зелено-голубым или голубовато-зеленым. Некоторые хромофоры могут быть ответственными за возникновение двух или нескольких, совершенно разных цветов, что связано, возможно, с различным их взаимодействием в той или иной кристаллической структуре:

        1. Если минерал существенные количества переходных элементов, они вызывают его собственную окраску. Примером могут служить крокоит и уваровит ( хромофор – хром) (рис. 2.1.1.), родонит и спессартин ( хромофор – марганец)

        2. Переходные металлы, образующие примеси в обычно бесцветных или почти бесцветных в чистом виде минералах. Могут вызывать примесную окраску этих минералов. Классическим примером является корунд, который бесцветен, когда представляет собой чистый оксид алюминия 3.

        3. В структуре кристалла существуют также внутренние дефекты решетки, которые создают, так называемые цветовые центры. эти центры могут быть: 1) электронными, в которых дополнительные электроны захватываются решеткой или частицами вещества; 2) дырочными, при нехватке электронов.

    Дефекты первого рода характерны для флюорита. Электронный цветовой центр возникает, когда лишний электрон, стабилизируя структуру кристалла, оказывается в анионной дыре. Такие дыры могут возникать в решетке флюорита под действием высокоэнергетического излучения или во время кристаллизации при избытке ионов Ca. Изменение энергетического состояния блуждающего электрона и связанное с этим поглощение излучения являются причинами пурпурного цвета минерала.

    Примером аномалии второго рода может служить голубой цвет берилла (рис. 2.1.2.). Такой цвет получается, если сосуществуют два типа дефектов, при этом один является электронным донором (СО3 2-), а второй – электронным акцептором (Н+). Под воздействием излучения электрон «выбрасывается» из аниона и захватывается катионом. В этом случае анион становится поглощающим свет дырочным световым центром. Катион, захватывающий электрон, сам не дает цвета, но если бы его не было, «выброшенный» электрон вернулся бы на прежнее место, ликвидируя цветовой центр.

    Наличием дырочных цветовых центров объясняется цвет дымчатого кварца, где кислород является донором, примесь алюминия акцептором.

    Цветовые центры, а, следовательно, цвет камней можно ликвидировать накаливанием или интенсивным облучением. При накаливании аметист меняет цвет на желтый или зеленый, которые проявляются благодаря наличию ионов железа.

    Теория зон. Согласно зонной теории, появление окраски вызывается электронами, оторванными от атомов и способными свободно перемещаться в структурах и, следовательно, образовывать энергетические зоны. Форма энергетических зон и промежутков между ними является ответственно за окраску минерала.

    1. Различия энергетических зон в проводниках вызывает окраску (а также блеск и непрозрачность) самородных металлов и природных сплавов. Такие окраски служат


    проявлениями слабых различий в поглощении света, обусловленных неодинаковой формой энергетических зон. К минералам, окраска которых возникла таким путем, относятся самородная медь, серебро, золото (рис. 2.1.3.), а также природные сплавы, например метеоритный сплав никель – железо.

    1. Запрещенные зоны, или, точнее, связанные с ними запрещенные уровни энергии, вызывают окрашивание некоторых полупроводниковых минералов. В структурах этих минералов связь имеет преимущественно ковалентный характер. Наблюдаемые окраски определяются запрещенными уровнями энергий, которые влияют на форму запрещенных зон. Последовательность смены цветов при изменении ширины запрещенной зоны следующая: по мере расширения запретной зоны (например, от 1,5 до 3,5 эВ) черный цвет переходит в красный, оранжевый, желтый и становится бесцветным. Обесцвечивание соответствует отсутствию поглощения электромагнитных колебаний с энергиями, характерными для видимой части спектра. Примерами могут служить галенит и пирит (узкая запрещенная зона), киноварь, реальгар и сера (средняя запрещенная зона), алмаз, сфалерит (широкая запрещенная зона) (рис 2.1.4.).

    2. Окрашивание легорованных проводников возникает за счет введения примесей, которые модифицируют упомянутые ранее запрещенные зоны. Отличным примером может послужить алмаз. В алмазе пятивалентные ионы примеси азота с электронной конфигурацией 1s²2s²2p³ замещают в кристаллической решетке четырехвалентные атомы углерода. Это значит, что у азота на 1 электрон больше. Этот свободный электрон в зоне энергетического разрыва и создает дополнительный донорский уровень, уменьшая значение энергетического разрыва (c 5,4 до 4,0 эВ, а затем, за чет тепловых колебаний, до 2,2 эВ). В результате становится возможным поглощение голубой и фиолетовой зон спектра. Итог – желтый цвет алмазов. Увеличение концентрации азота приблизительно до 0,1% изменяет цвет алмаза на зеленый. При большой концентрации азота наблюдается столь значительное расширение донорского уровня, что становится возможным полное поглощение света видимого спектра, и в результате цвет камней – черный.

    Если в алмазе присутствует примесь трехвалентного бора, мы имеем дело с акцептором. Недостающий электрон образует дополнительный акцепторный уровень. Поскольку энергетическая ценность этого уровня невысока, то абсорбции света из зоны видимого спектра не происходит, а только, как в случае с азотом, расширяется акцепторный уровень. Этот уровень соответствует энергии красной зоны спектра, в результате чего наблюдается голубой цвет алмазов (рис 2.1.5.).

    Роль молекулярных орбиталей. Согласно теории молекулярных орбиталей, окраска некоторых минералов обусловлена зарядовыми взаимодействиями между электронами, орбиты которых охватывают более одного атома или иона. Подобные переносы зарядов чаще всего встречаются в минералах с преимущественно ионными или ковалентными связями. Переносы зарядов, вызывающие поглощение света, возникают за счет энергии

    «перескока» электронов. В качестве примера можно привести голубой цвет сапфира, который объясняется переходом электрона от железа 2+ к титану 4+, содержащихся в структуре корунда, поэтому формальная валентность обоих ионов составляет +3. Энергия, необходимая для такого перехода, соответствует энергии поглощения света от красной до желтой полосы спектра. Именно благодаря такому поглощению света цвет сапфира голубой. Для магнетита, где валентность железа составляет +2 и +3, характерен цвет от темно- голубого до черного из-за перехода электронов от железа 2+ к железу 3+.

    Оптические явления. Окраски, обусловленные оптическими эффектами, не являются цветами в буквальном смысле слова. Тем не менее они часто воспринимаются как обычные цвета. В дальнейшем будут рассмотрены оптические эффекты и их проявление в кристаллах.

    Но на этом способы окрашивания не заканчиваются. Очень часто цвет кристалла определяют и микроскопические твердофазные включения. Например, коричневый цвет кварца обусловлен наличием в нем мелкозернистых оксидов железа (рис 2.1.6).
    Цвета некоторых минералов изменяются под влиянием нагревания или атомной бомбардировки. Например, под действием рентгеновских и гамма – лучей или нейтронных пучков. Примером может служить изменение окраски циркона от коричневой до синей при нагревании. Нагревание вызывает также превращение желтого топаза в розовый. Атомная бомбардировка бесцветного алмаза придает ему светло – зеленый или голубоватый цвет, причем изменение окраски ограничивается лишь поверхностной зоной толщиной в несколько десятков микрон. Нагревание приводит к добавлению достаточного количества энергии, необходимого для захвата электронов вакансионными дефектами. В некоторых случаях первоначальный цвет, как природный так и искусственный, может быть восстановлен каким – либо способом. Как правило, нагревание дает обратные результаты по сравнению с атомной бомбардировкой. Так, например, дымчатый кварц можно обесцветить нагреванием, а топазу, с помощью гамма излучения, можно вернуть его первоначальный желтый цвет, который он изменит на розовый в результате нагревания.

      1. Блеск


    Еще одним важным оптическим свойством является блеск. Блеск – оптическое свойство, тесно связанное с явлениями отражения и преломления света, - можно определить как внешний вид минерала в отраженном свете. Блеск определяется коэффициентом отражения R, который представляет собой отношение количества отраженного светового потока к количеству падающего. Существует прямая зависимость между коэффициентом отражения R и коэффициентом преломления n:

    R = (n-1)² / (n+1)².

    Из формулы следует, что минерал с большим показателем преломления имеет более сильный блеск

    Для минералов с близкими значениями коэффициента преломления коэффициент отражения растет вместе с увеличением показателя поглощения излучения. Поэтому минералы, сильно абсорбирующие в границах видимого спектра, отличаются более интенсивным блеском. Это также касается металлов. Они содержат значительное количество слабо связанных с атомами электронов проводимости, соответствующие частоты которых находятся в ультрафиолетовой части спектра, поэтому коэффициент отражения для большей части металлов в видимой и инфракрасной области спектра приближается к 100%.

    Интенсивность блеска также зависит от состояния отражающей поверхности. Гладкие, однородные, хорошо отполированные поверхности обладают более интенсивным блеском, поскольку значительно меньше рассеивают падающее на них излучение. Из этого видно, что гладкая поверхность спайности будет отражать больше света, чем неровная поверхность излома. Совершенно очевидно также, что различные кристаллографические направления, особенно в анизотропных кристаллах, будут различаться по количеству поглощенного света и, следовательно, в различной степени отражать падающий луч.

    Различают следующие виды блеска:

    1. Металлический. Характерен для минералов, которые сильно поглощают видимый свет, непрозрачные или почти непрозрачные даже в тонких осколках. Показатель преломления у таких минералов 3 и более. В эту группу входят самородные минералы и многие рудные минералы (пирит).

    2. Полуметаллический. Минералы с показателем преломления от 2,6 до 3, большей частью непрозрачные или почти непрозрачные. Характерен для некоторых рудных минералов (гематит n=3.0).

    3. Алмазный. Яркий блеск, типичный для алмаза. Характерен для минералов с показателем преломления от 1,9 до 2,6. В качестве примеров можно привести циркон (n=1,92-1,96), самородную серу (n=2,4), сфалерит (n=2,4). Сочетание


    показателей преломления, лежащих в данном интервале, с желтым или коричневым цветом дает смолистый блеск.

    1. Стеклянный. Характерен для минералов с показателем преломления от 1,3 до 1,9. В этот интервал попадает около 70% общего количества минералов. Напоминает блеск чистой стеклянной поверхности.

    2. Жирный, восковой, шелковистый, перламутровый и матовый блеск – разновидности неметаллического блеска, различающиеся в зависимости от структуры отражающей поверхности. Алмаз часто обладает несколько жирноватым блеском, что обусловлено микроскопическими неровностями его поверхности, рассеивающими отраженный свет. Спайные поверхности галита имеют стеклянный блеск, пока они свежие, а со временем под действием водяных паров, содержащихся в воздухе, приобретают восковой блеск, вызванный небольшими неровностями поверхности. Жирный блеск, типичный для нефелина, является результатом начавшегося изменения этого минерала. Криптокристаллические и аморфные минералы, такие, как халцедон и опал, обычно имеют восковой блеск. Минералы, для которых характерны параллельно- волокнистые агрегаты, например, асбест и селенит, обладают шелковистым блеском. Для прозрачных минералов, со слоистыми структурами и совершенной пластинчатой спайностью характерен перламутровый блеск, вызванный отражением света от нескольких чередующихся поверхностей спайности; примерами могут служить тальк, слюды и крупнокристаллический гипс. Пористые агрегаты некоторых минералов, подобных глинам, рассеивают падающий свет таким образом, словно они вовсе не обладают блеском – их называют тусклыми или землистыми.

    Посмотреть связь между показателем преломления и блеском, а также примеры, можно в таблице 3.

    Блеск в основном зависит от типа химической связи. Высокие, умеренно высокие и низкие показатели преломления характерны для веществ преобладанием соответственно металлической, ковалентной или ионной связи. Следовательно, блеск, характерный для веществ с указанными типами связи, будет также сильным, умеренным или слабым.

      1. Прозрачность


    Светопроницаемость – свойство, характеризующее вещество с точки зрения способности пропускать световой поток. Указывает, какая часть излучения проходит, не меняя направления, через слой вещества определенной толщины. От прозрачности также зависит способность вещества поглощать и рассевать излучение, при этом необходимо отличать прозрачность от способности вещества пропускать свет, так как многие непрозрачные вещества могут пропускать рассеянный свет. Все минералы можно разделить на несколько типов:

    1. Прозрачным называют минерал, способный пропускать свет. Сквозь такой минерал можно ясно видеть другие объекты.

    2. Просвечивающими считаются минералы, способные пропускать свет. Однако через такие минералы нельзя ясно различать те или иные предметы, а можно лишь смутно видеть их общие очертания. Степень просвечиваемости зависит от поглощения им света вследствие темной окраски, либо от рассеивания света внутри минерала.

    3. Непрозрачным называется минерал, не способный пропускать свет.

    Прозрачность можно соотнести с блеском. Как правило, материалы с металлическим блеском непрозрачны, а с неметаллическим прозрачны или просвечивают.

    Таблица 2



    Теория, объясняющая

    происхождение окраски.

    Причина окраски

    Примеры минералов

    Теория кристаллического поля.

    Соединение переходного

    металла

    Азурит, гетит, спессартин

    Примесь переходного металла

    Цитрин, рубин

    Центры окраски

    Флюорит, аметист

    Теория молекулярных

    орбиталей

    Перенос заряда

    Кордиерит, кианит

    Органический материал

    Янтарь, коралл

    Зонная теория

    Проводник

    Медь, золото, серебро

    Полупроводник

    Киноварь, галенит, пирит

    Легированный полупроводник

    Синий и желтый алмазы

    Теория оптических явлений

    Дисперсия света

    Алмаз

    Рассеяние света

    Астеризм, авантюресценция

    Интерференция света

    Иризация

    Дифракция света

    Опалесценция


    Рисунок 3.1.1. Уваровит
    .


    Рисунок 3.1.2. Голубой берилл

    .

    Рисунок 3.1.3. Золото (самородок).


    Рисунок 3.1.4. Киноварь (средняя запрещенная зона), алмаз (широкая запрещенная зо на), пирит (узкая запрещенная зона).



    Рисунок 3.1.5 Голубой алмаз.



    Рисунок 3.1.6. Коричневый кварц с включениями мелкокристаллического оксида железа


    Таблица 3.


    Связь блеска и показателей преломления


    Блеск

    Показатель преломления

    Примеры минералов






    Стекловатый



    1,3 – 1,5



    Флюорит





    Стеклянный



    1,5 – 1,8



    Топаз





    Полуалмазный



    1,8 – 2,2



    Циркон





    Алмазный



    2,2 – 2,7



    Алмаз





    Ярко-алмазный



    2,7 – 3,4



    Киноварь





    Металлический



    >3,4



    Пирит






      1. Двупреломление.

    Во всех анизотропных средах наблюдается явление, называемое двулучепреломлением: когда проходящий через кристалл луч видимого спектра раздваивается на «обычный» и

    «необычный» лучи. Однако в большинстве случаев этот эффект не виден из-за небольшой разницы в показателях преломления.

    Наиболее отчетливо двупреломление световых лучей проявляется у высокопрозрачной разновидности кальцита, называемой исландским шпатом. Впервые это явление изучалось датским ученым Эразмом Бартолином в 1669г. Открытие было сделано практически случайно. Бартолин подробно изучал кристаллы кальцита, имевшие форму ромбоэдров, сравнивая углы между одинаковыми гранями у разных образцов. Однажды он случайно положил один из кристаллов на листок бумаги с записями и увидел, что все буквы под кристаллом раздвоились. Удивленный ученый проверил еще несколько кристаллов. Они вели себя так же.

    Кальцит легко раскалывается на обломки в виде ромбоэдров. Если такой спайный выколок расположить над точкой, нанесенной на листе бумаги, то, глядя через минерал, мы увидим два изображения точки. Одно изображение будет казаться расположенным несколько выше над поверхностью бумаги, чем другое. Соединяющая их линия будет параллельна диагонали верхней грани ромбоэдра, проходящей через два тупых угла. При повороте кристалла по поверхности бумаги верхнее изображение точки останется неподвижным, тогда как нижнее движется вокруг него, оставаясь между неподвижной точкой и тупым углом на верхней грани ромбоэдра.

    Если имеется несколько кристаллов исландского шпата, то можно заметить, что расстояние между точками тем больше, чем толще ромбоэдр. Если, продолжая смотреть вертикально вниз на точки, начать переворачивать ромбоэдр на тупой угол, то нижняя точка будет приближаться к верхней и в конце концов они сольются. Слияние наступит в тот момент, когда линия наблюдения располагается параллельно линии, равнонаклоненной к трем плоскостям, сходящимся на тупом угле ромбоэдра.

    Раздвоение изображения происходит потому, что проходящий через кристалл свет разлагается на два пучка: один, состоящий из так называемых обыкновенных лучей, пройдет нормально к пластинке без преломления, другой, состоящий из необыкновенных лучей, отклонится в сторону на угол 6° 4`, но выйдет из него по тому же направлению, как и первый пучок.

    Проходя через анизотропный кристалл, свет поляризуется, то есть у необыкновенных лучей колебания совершаются только в одной плоскости, перпендикулярной плоскости колебания обыкновенных лучей. Это можно доказать, положив сверху на кристалл поляризационный фильтр – необыкновенный луч пропадет (рис. 3.4.2).

    Тот факт, что одна точка находится выше другой, можно пояснить на следующем примере. Известно, что все предметы, наблюдаемые через толстый слой воды (например, в аквариуме) кажутся нам ближе, чем наблюдаемые в воздухе. Объясняется это тем, что вода имеет больший показатель преломления, чем воздух. Можно сделать вывод, что в кальците показатель преломления обыкновенных волн больше показателя преломления необыкновенных волн.

    Неравенства показателей преломления в исландском шпате были использованы шотландским учителем физики Николем в 1828г для изготовления поляризующих свет призм. Позднее получили широкое распространение открытые Лендом в 1932г поляризующие свет пленки – поляроиды. Пленки содержат определенным образом ориентированные в них микроскопические кристаллы или комплексы длинных молекул различных органических веществ. Действие их основано на неодинаковом поглощении обеих возникающих в результате двойного преломления поляризованных волн. Поляризация света не является полной и свет выходит слегка окрашенным.
    Величина преломления и двупреломления света характерна для каждого кристаллического вещества, поэтому, измерив их, можно определить что это за вещество. Такой способ очень хорошо подходит для изучения состава горных пород, где минералы представлены в виде зерен. Из породы вырезается тонкая пластинка (шлиф) и под микроскопом исследуется ее преломление и двупреломление. Чтобы иметь наиболее полное представление об оптических свойствах, кристаллы нужно осматривать со всех сторон, для этого пластинку закрепляют на универсальном столике Федорова. У этого прибора есть несколько осей вращения, что позволяет рассмотреть срез во всех возможных направлениях.


    Рисунок 3.4.2. а) Поляризация света при взаимодействии с кристаллом.


    б) Исчезновение «необыкновенного» луча при использовании поляризационного фильтра.


      1. 1   2   3   4


    написать администратору сайта