晶体光学基础(二)

1、晶体光学之二晶体光学基础（二）五、光率体（三）二轴晶光率体(低级晶族晶体的光率体) 低级晶族(斜方、单斜、三斜晶系)属于二轴晶矿物。这类晶体的三个结晶轴轴单位不等，即abc，表明它们在三度空间上内部结构和光学性质的不均一性。实验测定，这类矿物具有大、中、小三个主折射率值，它们分别与互相垂直的三个振动方向相当，以符号Ng、Nm、Np代表大、中、小三个主折射率值。当光波沿其它方向振动时，相应的折射率值递变于Ng、Nm、Np之间，以符号Ng和Np表示。它们与Ng、Nm、Np的相对大小是：NgNgNmNpNp。显然，二轴晶光率体应当是一个三轴不等的椭球体。 现以斜方晶系矿物镁橄榄石为例说明二轴晶光率体

2、的构成。 当光波沿镁橄榄石z晶轴方向射入晶体时，发生双折射，分解形成两种偏光。其一振动方向平行X晶轴，测得相应的折射率值等于1.715；另一种偏光振动方向平行Y晶轴，测得相应的折射率值等于1.651。在x晶轴方向上，由中心向两边按比例截取折射率值1.715，在y晶轴方向上，由中心向两边按比例截取折射率值1.651；以此二线段为长短半径构成垂直入射光波(垂直z晶轴)的椭圆切面。 当光波沿镁橄榄石X晶轴方向射入晶体时，发生双折射，分解形成两种偏光。其一振动方向平行Y晶轴、测得相应的折射率值等于1.651；另一种偏光的振动方向平行Z晶轴，测得相应的折射率值等于1.680。按同样的方法构成垂直入射光波

3、(垂直X晶轴)的椭圆切面。 当光波沿镁橄揽石Y晶轴方向射入晶体时，发生双折射，分解形成两种偏光。其一振动方向平行X晶轴，相应的拆射率值等于1.715，另一种偏光的振动方向平行Z晶轴，相应的折射率值等于1.680。按同样的方法构成垂直入射光波(垂直Y晶轴)的椭圆切面。 把这三个椭圆切面，按照它们的空间位置联系起来，便构成了镁橄榄石的光率体。它是一个三轴不等的椭球体， 即三轴椭球体。 从镁橄榄石三个主要方向切面上测定的折射率值可以看出，它具有大(1.715)、中(1.680)、小(1.651)三个主折射率值。与它们相当的三个振动方向分别平行X、Z、Y晶轴。实验证明，其它低级晶族矿物(二轴晶)都具有

4、大(Ng)、中(Nm)、小(NP)三个主折射率值，它们分别与互相垂直的三个振动方向相当。但Ng、Nm、Np的大小及与它们相当的互相垂直的三个振动方向在晶体中的位置，与镁橄揽石不相同。因此，低级晶族晶体的光率体都是三轴椭球体。 二轴晶光率体中，三个互相垂直的轴代表二轴晶矿物的三个主要光学方向，称为光学主轴，简称主轴，即Ng轴、Nm轴和Np轴。 包括两个主轴的面称主轴面(主切面)。二轴晶光率体有三个互相垂直的主轴面，即NgNp面、NgNm面和NmNp面。 因为二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体，通过中等轴Nm轴，在光率体一侧的Ng轴与Np轴之间，可以连续切一系列椭圆切面 。这些切面的半径之一始终是

5、Nm轴，另一半径的长短递变于Ng轴与Np轴之间。因系连续变化，在它们之中，必定有一半径等于Nm的圆切面。 在光率体的另一侧，通过Nm轴，同样可以截出另一个圆切面 。光波垂直这两个圆切面入射时，不发生双折射，基本不改变入射光波的振动特点及振动方向，因而这两个方向为光轴( (optic axis)optic axis)，以符号“0A”表示 。 通过二轴晶光率体中心，只能截出两个圆切面，即只有两个光轴方向，故称二轴晶。包括两个光轴的面称光轴面(optic axial plan)，以符号“Ap”表示。光轴面与主轴面NgNp面一致。通过光率体中心，垂直光轴面的方向称光学法线(optic normal)，

6、与Nm轴一致。两个光轴之间的锐角称光轴角(optic axial angle)，以符号“2V”表示。两个光轴之间锐角的平分线称锐角等分线(acute bisectrix)，以符号“Bxa”表示。两个光轴之间钝角的平分线称钝角等分线(obtuse bisectrix)，以符号“Bxo”表示。 根据Ng、Nm、Np值的相对大小，确定二轴晶矿物的光性符号。当Ng一NmNm一Np时，为正光性。在这种情况下，Nm值比较接近Np值，以Nm为半径，在Ng轴与Np轴之间所作的两个圆切面，必然比较靠近Np轴；而垂直两个圆切面的两个光轴必更靠近Ng轴。因此，两个光轴之间的锐角等分线(Bxa)必定是Ng轴。 当Ng

7、-NmNm-Np时，为负光性。此时，Nm值比较接近Ng值，以Nm为半径，在Ng轴与Np轴之间所作的两个圆切面，必定更靠近Ng轴；而垂直两个圆切面的两个光轴必更靠近Np轴。因此，两个光轴之间的锐角等分线必为Np轴。 由上述情况可知，二轴晶矿物的光性符号也可根据BXa是Ng轴还是Np轴确定。当BxaNg时，为正光性；BxaNp时，为负光性。 二轴晶光率体的主要切面有：1、垂直光轴(上0A)的切面 为圆切面，其半径等于Nm。光波垂直这种切面入射时(即沿光轴入射)、不发生双折射、基本不改变入射光波的振动特点及振动方向。相应的折射率值等于Nm，双折率等于零 2、平行光轴面 为椭圆切面(相当于主轴面NgN

8、p面)，其长短半径分别等于Ng和Np。光波垂直这种切面入射时(即沿Nm轴入射)，发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向必分别平行椭圆切面的长短半径Ng轴和Np轴；相应的折射率值分别等于Ng与Np值。双折率等于椭圆长短半径之差(Ng-Np)，是二轴晶矿物的最大双折率。3、垂直Bxa的切面 为椭圆切面，正光性晶体相当于主轴面NmNp面，其长短半径分别为Nm和Np；负光性晶体相当于主轴面NgNm面，其长短半径分别为Ng和Nm。光波垂直这种切面入射时(即沿Bxa方向入射)，发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向必定分别平行椭圆切面长短半径Nm和Np或Ng和Nm；相应的折射率值分别等于Nm和Np或N

9、g和Nm值。双折率等于Nm-Np或Ng-Nm，其大小介于零与最大双折率之间。 4、垂直Bxo的切面 为椭圆切面，正光性晶体相当于主轴面从此面，其长短半径分别为Ng和Nm；负光性晶体相当于主轴面NmNp面，其长短半径分别为Nm和Np。光波垂直这种切面入射时(即沿Bxo方向入射)，发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向必定分别平行椭圆切面长短半径Ng和Nm或Nm和Np；相应的折射率值分别等于Ng和Nm值或Nm和Np值。双折率等于Ng-Nm或Nm-Np，其大小介于零与最大双折率之间 。 无论是正光性或是负光性，垂直Bxa切面的双折率总是小于垂直Bxo切面的双折率。 正光性光率体的正光性光率体的Ng

10、Ng、NmNm、NpNp相对大小是：相对大小是： 以上平行光轴面、垂直Bxa、垂直Bxo的切面都二轴晶光串体的主轴面，属于垂直光率体主轴的切面。 5、斜交切面 不垂直光轴，也不垂直主轴的切面属于斜交切面，这种切面有无数个，它们都是椭圆切面，但非主轴面。斜交切面大体上可分为两种类型： （1）垂直主轴面的斜交切面，即垂直NgNp面、NgNm面及NmNp面的斜交切面，称半任意切面。这类切面的椭圆长短半径中，总有一个半径是主轴(Ng轴或Nm轴或Np轴)，另一个半径是Ng或Np 。 在半任意切面中，比较重要的是垂直NgNp面(光轴面)的斜交切面。这种切面的椭圆长短半径中，必有一个半径是Nm轴，另一个半径

11、是Ng或Np。切面在某些情况下，可以代替垂直光轴的切面。垂直光轴的圆切面，实际上是这类切面的特殊类型。 (2)任意斜交切面 椭圆切面的长短半径分别为Ng和Np。光波垂直这类切面入射时(即除光轴和主轴方向以外的任意方向入射)，发生双折射，分解形成两种偏光。共振动方向必分别平行椭圆长短半径方向；相应的折射率值必分别等于长短半径Ng和Np 。双折率等于长短半径之差(Ng-Np)，其大小变化于零与最大双折率之间。 六、光性方位 光率体主轴与晶体结晶轴之间的关系称光性方位。也可以说是光率体在晶体中的位置。矿物的光性方位因所属晶系不同而不同。均质体矿物的光率体是圆球体，通过圆球体中心的任何三个互相垂直的直

12、径都可与等轴晶系的三个结晶轴相当。 1、中级晶族晶体的光性方位 中 级 晶 族 晶体(一轴晶)的光率体是一个旋转椭球体，其旋转轴(光轴、Ne轴)与晶体的高次对称轴(Z晶轴)一致。 正 光 性 晶 体如石英(图16A)；负光性晶体如方解石（图16B）。2、低级晶族晶体的光性方位 低级晶族晶体(二轴晶)的光率体为三轴椭球体，具有三个互相垂直的三次对称轴(主轴)，三个对称面(主轴面)和一个对称中心。其对称要素与斜方晶系晶体的对称要素(3L23PC)相同。因此，斜方晶系晶体的光性方位是：光率体的三个主轴与晶体的三个结晶轴一致。究竟是哪一个主轴与哪一个晶轴一致，因矿物不同而不同，如黄玉是NpX，NmY，

13、NgZ。 单斜晶系晶体的对称要素是L2PC。Y晶轴为二次对称轴。因此，其光性方位是：Y晶轴与光率体三个主轴之一重合，其余两个主轴与另两个结晶轴斜交，究竟是哪一个主轴与Y轴一致，其余二主轴与二结晶轴斜交的角度，因矿物种类而不同。如透闪石晶体的光性方位Nm=Y轴，NgZ15。 三斜晶系晶体的对称程度最低，只有一个对称中心与光率体的对称中心相当。因此，三斜晶系晶体的光性方位是光率体的三个主轴与晶体的三个结晶轴斜交，其斜交角度因矿物而异。如斜长石(An35)的光性方位。 二轴晶光率体是晶体光学基础中的难点，请大家一定要弄清楚其主要切面特征，光率体椭园半径名称，该切面双折射率值大小等，这对下一步单偏光、

14、正交偏光和锥光镜下的矿物鉴定十分重要。七、色散 白光由七种波长不同的单色光组成。不同的单色光在同一介质中，表现的光学性质差异称色散。介质的折射率值随单色光波波长不同而发生改变的现象称折射率色散。以光波波长为横坐标，相应的折射率值为纵坐标，作成的折射率值随光波波长发生改变的曲线称为折射率色散曲线。 介质的折射率值随入射光波波长增大而减小。折射率色散曲线倾斜陡，表明该介质的折射率色散强；反之，色散弱。液体介质的折射率色散通常比固体介质显著。非均质体矿物的双折率随单色光波波长不同而发生改变的现象称双折率色散。 光率体是以光波在晶体中的振动方向与相应折射率值作成的。因此，同一晶体不同波长单色光波的光率

15、体大小、形状以及在晶体中的位置有可能发生改变。同一晶体的光率体随单色光波波长不同而发生大小、形状的改变现象称为光率体色散。不同晶系晶体的光率体色散不同。1、均质体的光率体色散 各单色光的光率体均为圆球体，仅半径大小不同，其形状及在晶体中的位置不变。折射率色散强弱因矿物而异，通常以紫光(v)(violet)与红光(r)(red)折射率的差值表示。如萤石色散弱，Nv=1.437，Nr=1.431，差值为0.006;金刚石色散强，Nv2.465，Nr2.402，差值为0.063。 2、一轴晶的光率体色散 各单色光的光率体都是以光轴(Z晶轴)为旋转轴的旋转椭球体。它们在晶体中的位置不变。但各单色光的N

16、e、No随光波波长不同而发生变化。其光率体的大小和形状有可能改变。如果Ne、No值随入射光波波长改变的变化幅度近于相同时，Ne、No的色散曲线基本平行(图A)，其双折率无明显改变。各单色光的光率体大小不同，但其形状基本不变。 如果Ne、No随入射光波波长改变的变化幅度不相同；可能有两种情况。当Ne、No随入射光波波长增大而变化幅度减小时，Ne、No色散曲线之间的间距向波长增大方向变小(图B)。各单色光光率体的Ne轴与No轴长短差距变小，其双折率随入射光波波长增大而减小。 当Ne、No随入射光波波长增大而变化幅度增大时，Ne、No色散曲线之间的间距向波长增大方向加大(图C)。各单色光光率体的Ne

17、轴与No轴长短差距变大，其双折率随入射光波波长增大而增大。在这两种情况中，各单色光的光率体不仅大小不同，而且旋转椭球体的长短轴之比发生改变。 当Ne、No色散曲线相交时(图D)，其双折率首先随入射光波波长增大而变小，在某一单色光波波长处，该介质的双折率等于零而变为均质体(即光率体为圆球体)，在零点之后，Ne、No相对大小交换了位置，而且其双折率随入射光波波长增大而增大。在零点两侧的光性符号不同。各单色光光率体的大小和形状都有改变。 3、二轴晶的光率体色散 二轴晶光率体色散较为复杂。三个主折射率Ng、Nm、Np均随入射光波波长改变而发生改变。双折率也可随入射光的波长变化而改变。如果Ng、Nm、N

18、p值随入射光波波长改变的变化幅度近于相同，Ng、Nm、Np的色散曲线近于平行(图A、B)。其双折率无明显变化，光率体形状基本不变，2v大小亦无明显变化，仅光率体大小改变。 如果Ng、Nm、Np值随入射光波波长改变的变化幅度不同，当Ng、Nm、Np随入射光波波长增大而变化幅度增大时，Ng、Nm、Np的色散曲线之间的间距向波长增大方向加大(图C)，其双折率随入射光波波长增大而加大； 当Ng、Nm、Np值随入射光波波长增大而变化幅度减小时，Ng、Nm、Np的色散曲线之间的间距向波长增大方向减小(图D)，其双折率随入射光波波长增大而减小。在这两种情况中，光率体的形状和大小都发生改变。由于形状的改变，引起光轴位置及光