Курсовая. Оптические свойства кристаллов.. Оптическая классификация с кристаллов Свет и его взаимодействие с кристаллом
 Скачать 1.7 Mb.
|
ИризацияИризация (от греч. íris — радуга), оптическое явление, заключающееся в появлении радужной игры цветов на гранях и плоскостях спайности некоторых минералов (например, кальцита, лабрадора, опала и др.) при прохождении света. Ярким примером иризации может послужить лабрадор - плагиоклаз основного состава. Собственно иризация, которую наблюдают на лабрадоре, называют так же лабрадоресценцией. Лабрадор, обычно черный или серый, не привлекает внимания, пока не проявляет указанного эффекта. Однако при повороте освещенного камня происходит чудесное превращение: камень вспыхивает яркими цветными пятнами с преобладанием оттенков синего цвета, но в некоторых образцах появляются также зеленые, красные, оранжевые и желтые тона (рис 3.6.1. и рис 3.6.2). Практический интерес как источник ювелирного сырья представляют крупно- и гигантозернистые порфировидные породы. Размер иризирующих зерен (глазков) составляет обычно 2—5 см в поперечнике, реже 30—50 см, единичные зерна достигают 80 см. Причина появления иризации долго оставалась загадкой. Только исследования с помощью электронного микроскопа позволили выяснить, что плагиоклазы неоднородны и состоят из тончайших пластинок, несколько отличающихся по составу. Взаимодействие между световыми волнами, отразившихся от разных пластинок в кристалле приводит к появлению различных цветов. Зерна Лабрадора обычно содержат включения рудного минерала (иглообразные, обычно ориентированные), реликты оливина, пироксена, а также калиевый полевой шпат, замещающий лабрадор. Формирование глазков происходило в результате сочетания процессов замещения и перекристаллизации оливина и пироксена, а также мелких зерен Лабрадора. В небольших кристаллах обычно наблюдается сплошная иризация, в крупных — пятнистая (локальный тип иризации) разных цветов и оттенков. Пятнистая иризация наиболее распространена, проявляется в виде различных комбинаций иризирующих и неиризирующих участков (мозаичный рисунок). Для лабрадоров также характерны каемочный и зональный виды иризации. Каемочная иризация представлена узкой переливающейся каймой, прослеживающейся не более чем на 5—6 мм, обычно меньше; ширина каймы колеблется в пределах десятых долей миллиметра. Местами расширяясь, кайма переходит в иризирующие пятна. Количество цветов иризации варьирует от одного до трех. Зональная иризация представлена совокупностью выпуклых подобных многоугольников с общим центром. Стороны многоугольников — границы зон иризации — обычно четкие прямолинейные; ширина зон постоянная. Иногда иризирующие зоны разделены неиризирующими, ширина которых колеблется от долей миллиметра до 3 мм. Визуально наблюдаемое число зон иногда достигает 50. Кроме того, наблюдается различного рода линейные рисунки иризации: узкие прямолинейные параллельные полосы, сетчатый рисунок. Сетчатая иризация представлена несколькими пересекающимися системами иризирующих сдвойникованных индивидов. Рисунок отражает двойниковую природу иризирующих глазков.  Рисунок 3.6.1. Иризация в лабрадорите.  Рисунок 3.6.2. Пестрая иризация.
Благородный опал занимает особое место среди самоцветов. Он облает великолепной игрой цвета, которая проявляется не по всему объему, а наблюдается в виде ирризирующих точек, пятен, искр, вспыхивающих при вращении. Опал просвечивает или полупрозрачен и имеет белый, красновато-оранжевый и черный цвет (рис.3.7.1.). В соответствии с этим различают белые, огненные и черные опалы. Среди белых опалов принято вы делять арлекин-опалы (рис 3.7.2) с пятнистой пестроцветной игрой на желтом или голу боватом фоне, а среди огненных – так называемые точечные опалы с маленькими красными блестками. С минералогической тоски зрения опал – это аморфный или скрытокристаллический агрегат водосодержащего кремнезема. Выделяют три главные разновидности опалового кремнезема: преимущественно аморфные (А-опалы), К-опалы, сложенные главным образом низкотемпературным α-кристобалитом и КТ-опалы, состоящие из разупорядоченного α- кристобалита с низкотемпературным тримидитовым компонентом. Вода в опале адсорбирована в микропорах минерального агрегата и входит в гидратную оболочку мельчайших частиц кремнезема. Известны пористые опалы – гидрофаны, которые легко отдают или впитывают влагу, становясь прозрачными при погружении в воду. Благородные опалы содержат 3 – 20% воды. Благодаря строению кристаллической структуры проявляется опалесценция. Этот оптический эффект, который наблюдается обычно в благородных опалах (рис 3.7.3.) и выглядит как интенсивная игра красок, является результатом дифракции и интерференции света на правильной решетке плоскостей, построенных из сферолитов двуокиси кремния. Обязательным условием присутствия эффекта является наличие «упорядоченных» трехмерных структур. Обязательное условие интенсивной игры красок – как можно более плотное расположение элементов, образующих плоскости отражения. Упрощенный механизм возникновения игры цветов как результата дифракции и интерференции белого света на ритмической, «упорядоченной» структуре благородных опалов можно описать с помощью уравнения: kγ = 2 nd sinΦ, где γ – длина волны дифрагированного света, k – порядок дифракции света, n – показатель преломления, d – диаметр сферолитов, Φ – угол отражения. Из уравнения для первого порядка дифракции (k=1) видно, что при постоянном показателе преломления для данного камня длина волны дифрагированного света, определяемая диаметром сферолитов двуокиси кремния, тем больше, чем сильнее увеличивается угол отражения. При перпендикулярном падении света получаем наибольшую длину волны дифрагированного света, которая зависит только от диаметра сферолитов. Поскольку для Φ = 90º значение синуса угла равно 1, а γ = 2d. Из этого следует, что для сферолитов двуокиси кремния диаметром 200 нм мы получи опализацию фиолетового цвета (γ = 2d = 400 нм), а для сферолитов диаметром 350 нм – красную (700нм). Такой анализ справедлив также, если сферолиты будут других размеров. Именно присутствие в опале зон с различным диаметром сферолитов объясняется богатство красок и разнообразие проявления эффекта опалесценции. Названная по разновидности полевого шпата адуляра, в котором проявляется этот эффект, адуляресценция характеризуется мягким голубоватым или серебристым блеском, наблюдаемым у лунных камней. Возникает в результате рассеивания в центрах рассеивания. Этот эффект родственен опалеценции. Предпочтительной формой огранки являются одинарные или двойные карбошоны овальной формы. Прозрачным и просвечивающим обычно дают форму двойных карбошонов, а непрозрачным – форму одинарных. Рисунок 3.7.1. синтетические опалы из коллекции кафедры.  Рисунок 3.7.2. Арлекин-опалы.  Рисунок 3.7.3. Благородный опал. 
Ранее мы рассматривали оптические явления в кристаллах, считая их абсолютно прозрачными. В действительности всякий кристалл в той или иной мере поглощает свет. Абсорбция света, т.е. превращение световой энергии в другие формы, вызывается взаимодействием световых колебаний с затухающими колебаниями частиц вещества. В отсутствие резонанса происходят нормальные т.е. слабовыраженные эффекты дисперсии и абсорбции. В условиях резонанса оба явления приобретают ярко выраженный характер. Абсорбция света наблюдается как в газах и жидкостях, так и в кристаллах. Но интерес представляет анизотропия абсорбции, т.е. зависимость поглощения от направления световой волны в кристалле. Существование анизотропии констатируется наблюдениями, но может быть предугадано и на основе представлений о структуре кристаллов. В частности, можно ожидать, что кристалл или текстура, состоящие из параллельно ориентированных длинных молекул, должны в большей степени поглощать свет с колебаниями по длине молекул, и в меньшей степени с колебания поперек длины молекул. Поглощение определяется не направлением распространения света, а распространением световых колебаний. Это означает, что две волны одной частоты, идущие в одном направлении, должны иметь два различных коэффициента поглощения. Это свойство кристаллов называется двойным поглощением. Неодинаковое поглощение света различной длины волны приводит к тому, что абсорбирующие кристаллы при пропускании через них естественного белого света кажутся окрашенными. Легко понять и проверить опытом, что окраска кристаллической пластинки зависит от толщины пластинки. Очень тонкие абсорбирующие пластинки не будут казаться окрашенными, так как в этом случае общая доля поглощенного света будет ничтожна в сравнении с долей пропущенного. С увеличением толщины пластины коэффициент поглощения будет играть все большую роль: окраска будет становиться гуще и будет смещаться в сторону менее поглощаемых лучей. Это явление может усиливаться также в присутствии ионов переходных металлов, которые способствуют переходу электронов или провоцируют электронные переходы с переносом заряда в определенных кристаллографических направлениях. Для оптической кристаллографии имеет большее значение не то многообразие окрасок, которое зависит от толщины пластины, а то, которому сопутствует двойное поглощение. Многообразие окрасок кристаллов, вызываемое обеими причинами, получило название плеохроизма. Первыми плеохроизм наблюдали в 1816 г Био и Зеебек. По другой версии впервые явление плеохроизма описал в 1809 г французский горный инженер и геолог П.Кордье на примере минерала, названного им дихроитом. Позднее минерал стали именовать кордиеритом. Плеохроизм определяется с помощь дихроскопа (лупы Хайдингера). Самым главным элементом этого устройства является кристалл кальцита с сильным двойным лучепреломлением, не демонстрирующий плеохроизм в видимом спектре. Если поместить кристалл соответствующим образом в поле зрения, можно наблюдать цвета плеохроизма, соответствующие определенным оптическим направлениям в кристалле. Цвет значительно изменяется, когда направление луча света соответствует направлению оптической оси кристалла. Плеохроичные цвета, наблюдаемые в направлениях, параллельных оптическим осям называют базовыми, в перпендикулярных направлениях – осевыми. Плеохроизм может наблюдаться только в одноосных и двуосных кристаллах. Если из минерала диаспора ромбической сингонии вырезать кубик так, чтобы его грани были параллельны плоскостям симметрии кристалла, то при просматривании кубика в направлениях его главных осей в проходящем белом свете можно обнаружить три окраски: голубую, фиолетовую и зеленую. Наблюдение трех окрасок называется трихроизмом. В тех же условиях гексагональный турмалин в соответствии с его оптической симметрией дает только две типичные окраски – зеленую и бурую. Такое наличие окрасок называется дихроизмом. Для исследования плеохроизма одноосных кристаллов достаточно иметь одну пластинку, вырезанную параллельно оптической оси. Если ориентировать пластинку так, чтобы колебания пропускаемого поляризованного света были направлены по оптической оси, то наблюдаемая окраска будет окраской необыкновенных лучей. Если развернуть пластинку вокруг ее нормали на прямой угол, то получим новую окраску, которая будет окраской обыкновенных лучей. В промежуточных положениях будет наблюдаться некоторая средняя окраска, образованная из окрасок обыкновенных и необыкновенных лучей. Для исследования плеохроизма кристаллов ромбической сингонии достаточно двух пластинок, вырезанных так, чтобы одна была перпендикулярна к какой-либо из трех главных осей кристалла, а другая перпендикулярна к какой-либо другой из указанных осей. Можно ограничиться и одной пластинкой (призмой), если она одновременно содержит грани двух указанных направлений. Для исследования плеохроизма моноклинных кристаллов тоже достаточно двух пластинок. Одна из них должна быть вырезана по плоскости симметрии кристалла или перпендикулярно его оси второго порядка. Вращая пластинку вокруг ее нормали, определяют по наибольшему контрасту окрасок сами главные окраски. Направления колебаний, соответствующие этим окраскам, в моноклинных кристаллах не совпадают с главными осями поглощения. Вторая вырезается нормально к одному из направлений колебаний, отвечающих двум главным окраскам. В этой пластинке можно наблюдать третью главную окраску и повторно наблюдать одну из первых двух. Исследование плеохроизма триклинных кристаллов осложняется тем, что ни одна из осей индикатрисы поглощения не совпадает ни с одной из осей оптической индикатрисы двупреломления. Определение трех главных окрасок может производится лишь опытным методом. Из изложенного видно, что в отношении абсорбции света все кристаллы разделяются на те же пять групп симметрии, как и в отношении двупреломления: (∞/∞ m; m ∞/m; m 2/m; 2/m; 2¯ ). В ряде случаев закономерное расположение ионов – хромофоров приводит к распределению цвета по зонам, то есть можно наблюдать несколько окрасок вдоль одного кристаллографического направления. Это явление называется полихроизмом. Примером может служить турмалин, у которого вдоль оси z цвет может меняться от зеленого к розовому (рис 3.8.1.). Практическое применение плеохроизма было довольно распространенно. Изготавливались плеохроичные пленки, которые стали широко применяться под именем поляроидов после того как Ленд в 1932г. организовал их промышленное производство. Для изготовления поляроидов Ленд применил сильно плеохроичное кристаллическое вещество – кислый сульфаттриоиодид хинина (4 Ch* 3 H2SO4*2HJ3*x H2O, где Ch – молекула хинина состава C20H24N2O2). Оптические свойства кристаллов этого вещества за 50 лет до этого были хорошо изучены Герапатом, пытавшимся использовать его для выращивания монокристальных пластинок. Классический поляроид представляет собою прозрачную пленку из пластмассы, содержащую ориентированные в одном направлении субмикроскопические иглообразные кристаллики этого вещества, которое по имени Герапата получило название герапатита. Чаще для производства используют другие вещества, содержащие иод, а также чистый иод. Способ приготовления чисто иодных полароидов прост и сводится к двум операциям: к пропитке иодным раствором пленки поливинилового алкоголя и последующему ее растяжению. Рисунок 3.8.1. Полихромность в турмалине.   Заключение.Ознакомившись с литературой по данному вопросу, можно обобщить весь полученный материал и сделать некоторые выводы. Главное, что видно из работы, все оптические свойства зависят от определенных закономерностей строения кристаллической решетки. Если определить эти закономерности, то можно синтезировать кристаллы с определенными свойствами и использовать их в дальнейшем в практических целях. Чистые кристаллы, без дефектов, сейчас широко используются в электротехнике, изготовлении полупроводников. Используются они и в медицине, в медицинских лазерах. Кристаллы, обладающие различными дефектами, больше ценятся на ювелирном рынке и в коллекциях. И в заключение, хочу поблагодарить всех, особенно мою научную руководительницу Г. И. Дорохову, за помощь в создании данной работы. Список литературы.
«Мир», г.Москва, 1989 г.
г.Москва, 1951 г.
«Нева», г. Санкт-Петербург; изд. «Олма-пресс», г. Москва, 2002 г.
Нормально отформатировать (шрифт, интервал, выравнивание. Нумерацию рисунков сделать с 1 и далее по возрастающей. Ссылки на литературу должны быть в тексте в виде [1]…..[n]. А ссылок нет вощпе. Сделаешь – печатай и неси. |