岩相学基础第一章

岩相学基础第一章第一页，共九十二页，编辑于2023年，星期三绪论第二页，共九十二页，编辑于2023年，星期三课程概述岩相学是一种材料研究方法—光学显微分析主要研究内容岩相学分析的特点和主要的应用新的进展第三页，共九十二页，编辑于2023年，星期三岩相学的由来第四页，共九十二页，编辑于2023年，星期三微观结构分析要解决的问题：工艺-显微结构-性能间的关系第五页，共九十二页，编辑于2023年，星期三添加不同量Fe2O3的BaSn0.11Ti0.89O3试样的介电常数—温度关系曲线

(a)(b)(c)(d)掺杂不同量Fe2O3的BaSn0.11Ti0.89O3陶瓷的SEM照片(a)0.2%wt，(b)0.5%wt，(c)1.0%wt，(d)1.5%wt第六页，共九十二页，编辑于2023年，星期三非等轴晶粒搭接、均匀的孔隙结构，有利于保持较高的强度和低的密度。第七页，共九十二页，编辑于2023年，星期三材料结构的层次（按照观察用具或设备的分辨能力来划分）绪论宏观结构显微结构亚微观结构微观结构肉眼的分辨率光学显微镜的分辨率普通扫描电子显微镜的分辨率第八页，共九十二页，编辑于2023年，星期三结构表征透射电镜第九页，共九十二页，编辑于2023年，星期三材料结构的层次：

结构层次物体尺寸研究对象研究方法宏观结构>100m大晶粒、颗粒集团肉眼、放大镜显微结构0.2-100m多晶集团显微镜亚显微结构10-200nm微晶集团扫描电镜微观结构<10nm晶格点阵扫描隧道电镜第十页，共九十二页，编辑于2023年，星期三第十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光学显微分析特点100倍500倍压痕显微镜目镜标尺的标定第十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光学显微分析特点第十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期三水泥熟料的光学显微分析轻烧熟料熟料，矿物结晶形态完整欠烧熟料的岩相结构光学显微分析特点第十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期三高孔隙率氮化硅表面封孔前封孔后的表面形态光学显微分析特点第十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期三碎屑岩中的晶体海绿石砂岩苏长岩球晶的黑十字消光现象正交偏光下的干涉色光学显微分析特点第十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光学显微镜的发展偏光显微镜反光显微镜高温显微镜荧光显微镜相差显微镜干涉显微镜近场光学显微镜第十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光学显微分析简史

15世纪中叶：放大镜（单式显微镜）1590年荷兰HansandZachariasJanssen：复式显微镜17世纪中叶R.Hooke：设计第一台性能较好的显微镜ChristiaanHuygens：惠更斯目镜19世纪德国ErnstAbbe阐明光学显微镜成像原理，光学显微镜分辨本领达0.2微米理论极限第十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期三第十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期三罗伯特·虎克（R.Hoock）用以发现细胞的显微镜（1665）罗伯特·虎克观察到的细胞Hoock第二十页，共九十二页，编辑于2023年，星期三列文虎克和他的显微镜（约1680）Leauwenhoeck第二十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期三列文虎克观察到的“小动物”第二十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期三惠更斯目镜剖面图惠更斯目镜最早出现的而且目前仍为常用的目镜由两块同类光学玻璃研制成的单面凸透镜片组成二者中间装有一个金属环。这既是视场光栏，也是消杂光光栏。金属环上可以放置十字划线玻片，计数玻片，目镜测微尺。第二十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期三

光学显微镜分类：

——几何光学显微镜

生物显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视野显微镜等。

——物理光学显微镜

相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。

——信息转换显微镜

荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。

——特种光学显微镜

高温显微镜、近场光学显微镜等。第二十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期三1高温显微分析术——包括真空高温台及相应的物镜系统。——真空高温台是安放样品和进行加热、冷却的装置。——使用温度最高可达1500℃第二十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期三2荧光显微镜紫外光或短波可见光第二十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期三3相衬显微术相衬原理第二十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期三——利用装在显微镜物镜内的相位板，使反射光线产生干涉或叠加，把具有相位差的光转换成具有强度差的光，以鉴别金相组织。——圆环遮板+相板。光线经圆环遮板呈环形光束射入显微镜并到达相板上，环形光束与相板上相环吻合。——环形光束射入不规则表面后产生直接反射光和部分衍射光，衍射光投射在整个相板上，直接反射光则因通过相环而产生光程差，两者产生干涉而改变光的强度，从而达到提高衬度和分辨率的目的。——利用相衬显微镜可区分两相位差在10-150nm范围内金相组织。铝的蠕变滑移带第二十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期三——将光波的干涉技术与显微镜结合起来，利用光的干涉研究物相更细微的表面高度差，观察数十纳米的高度差。——一束单色光射到空气尖劈上会产生两束存在一定光程差的光，并产生干涉现象，在目镜中可见明暗相间的条纹。——不平表面将产生弯曲干涉条纹。根据干涉条纹的形状即可定量检测样品表面的细微高度差和平整情况。4干涉显微术第二十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期三5光学显微分析技术的突破——近场光学显微镜

光学显微镜的分辨率极限衍射光斑的分辨瑞利判据•提高分辨率的传统途径：——选择更短的波长；——采用折射率很高的材料；——增大显微镜的孔径角。无法突破λ/2分辨率极限。第三十页，共九十二页，编辑于2023年，星期三近场光学显微镜近场光学——研究距离物体表面一个波长以内的光学现象。——一个发光体的光发射过程可以用如下描述。物体内部的电荷，电流的振荡会引起电磁场的变化，从而能够从物体表面向自由空间传播，这样的电流分布在小于波长的空间尺度就有变化。STM是基于隧道电子的探测（1981）近场光学显微镜是探测隧道光子（1991年Bell实验室的Betzig等人用光学纤维制成高通光率的锥形光孔）第三十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期三近场探测器——位于距物体一个波长以内的位置上，在场传播以前将其俘获。——使用点状探测器逐点成像：首先收集纳米尺度的局部光信号，转变为电流/发射到自由空间以波导方式传播到探测系统，将逐点采集的信息扫描成为二维图像。光纤探针第三十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期三原子力显微镜近场光学显微镜高密度磁盘的磁道观察由于光子具有一些特殊的性质。如：没有质量、电中性、波长比较长(与电子相比较)、容易改变偏振特性。近场光学在纳米尺度观察上具有其他扫描探针显微镜所不能取代的作用，如STM，原子力显微镜(AFM)第三十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期三

光学显微镜已从定性观察向定量分析和智能化方向过渡，传统的显微图象处理主要依靠光学，照相、电视等模拟方法进行处理，近年来，由于计算机和计算技术的发展，“图象分析显微镜”得到发展，它是由显微镜、摄象系统、显示系统、电控装置和计算机组成。既能自动识别图象，又能进行快速分析，只需通过软件更新就能不断扩展功能。

图像分析系统第三十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期三第一章晶体光学基础

第二章偏光显微镜下晶体的光学性质

第三章反光显微镜下研究晶体的方法第四章光学显微分析技术的应用进展

第三十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期三第一章晶体光学基础§1.1光在晶体中的传播§1.2光率体§1.3光率体的光性方位

第三十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期三§1.光在晶体中的传播光的波动性光的波粒二象性波动学说解释晶体光学纵波横波

电磁波谱可见光：

3900-7700埃

横波与纵波第三十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期三

电磁波谱可见光：

3900-7700埃第三十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期三第三十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期三一、自然光与偏光

自然光——直接由光源发出的光波（包括单色和复色）.自然光振动特点：光波传播方向振动方向（横波），振动面变化，其轨迹是圆。可见光波长：

390～770nm。复色光组成：

紫色

390～446nm

青色

446～464nm

兰色

464～500nm

绿色

500～578nm

黄色

578～592nm

橙色

592～620nm

红色

620～770nm

第四十页，共九十二页，编辑于2023年，星期三2.偏光自然光经过反射、折射、双折射或吸收等作用过程而改变为只在一个振面上振动的光，振面于传播方向。

图1

第四十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期三尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的双折射现象制成的一种偏振仪器。第四十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期三取一块长度约为宽度三倍的方解石晶体，将两端切去一部分，使主截面上的角度为68度第四十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期三将晶体沿着垂直于主截面及两端面的AN切开，再用加拿大树胶粘合起来。第四十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期三前半个棱镜中的o光射到树胶层中产生全反射，e光不产生全反射，能够透过树胶层，所以自尼科耳棱镜出来的偏振光的振动面在棱镜的主截面内。第四十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期三第四十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期三尼科耳棱镜可用作起偏器，也可用作检偏器。第四十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期三聚乙烯醇分子拉伸成为线性结构,只允许平行分子排列方向振动的光通过.第四十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期三

二、折光率第四十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期三折光率--光在不同介质中传播速度的比Vi/Vr称介质2对介质1的折光率（相对折光率）。第五十页，共九十二页，编辑于2023年，星期三绝对折光率--当入射介质为真空称绝对折光率。因空气折光率为1.0003，接近真空，故一般将空气下测出值也称绝对折光率即n=V0/V（V0

—

空气中的传播速度为恒值）。上式表明，折光率与速度反比，n∝1/V，比例系数是V0。每种透明物体的折射率恒为一个常数，故测定物体的折射率是鉴定矿物的有效方法。第五十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光疏介质光密介质折光率与物质的密度呈正比，n∝ρ。光疏介质——

传播速度快或折光率小的物质。光密介质——

传播速度慢或折光率大的物质。第五十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期三全反射

当光从光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角。如果不断增大入射角，其折射角也随之不断增大，当其i增大到一定程度，折射角＝90。此时，折射线将沿界面进行，此时的入射角称为临界角。若入射角大于临界角，光就不再折入第二介质，而全部返回第一种介质中，这种现象称为全反射。临界角可以用下式表示：

只要知道了两种介质的N值的大小，即可得出临界角的大小。

第五十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期三

目镜折射率刻度调节手轮色散调节手轮温度计进光棱镜座恒温器接头锁紧手轮阿贝折射仪第五十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期三

原理当光线从光密介质进入光疏介质时，入射角会小于折射角。改变入射角可使折射角达到90°，此时的入射角称为临界角。阿贝折射仪测定折射率的工作即利用了测定临界角的原理．如下图示N1第五十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期三

当入射光自待测液体中以90°入射时，在折射棱镜中的折射角α就是临界角αc

。该光线再经一次折射后，进入望远系统的出射角记为i。当入射光以小于90°的不同角度入射时，所有的出射角都将大于i。于是望远镜中的视场被分为明暗两个部分，二者之间的分界线即为临界角所对应的位置。记待测液体的折射率为n1,折射棱镜的折射率为n2，且有n1＜n2。依折射定律有

(1)(2)第五十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期三由平面几何学可知则有代入(1)得由(2)得第五十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期三

将已知的棱镜折射角及棱镜材料折射率n2、测得的临界角i的正弦值sini，即可算得待测液体的折射率n1。将此计算结果在分划板上制成折射率标尺，在测量时即可直接从分划板上读出测得的折射率值。则第五十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期三三、双折射1光性均质体和光性非均质体

各种固体物质，依双折射性质可分为两大类：

光性均质体和光性非均质体（1）光性均质体：指光在其内传播时，光速不因传播方向的不同而变化的一类物质。它包括等轴晶系和非晶体物质。第五十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光波入射光性均质体的特点：1）光波射入均质体中只发生单折射。2）折射率值只有一个，即均质体的折射率不因光波在晶体中振动方向不同而发生改变．3）基本不改变入射光波的振动方向和振动特点。第六十页，共九十二页，编辑于2023年，星期三（2）光性非均质体

光性非均质体是指光在其内传播时，光速因传播方向不同而变化的一类物质，简称非均质体。包括中级晶族（三方、四方、六方）和低级晶族矿物（三斜、单斜、斜方）。当光射入非均质体后，除特殊方向外，其余方向都将产生双折射。第六十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光轴：光波入射非均质体中只有个别方向不产生双折射现象，非均质体中这种不发生双折射的特殊方向称为光轴。非均质体分为：一轴晶，二轴晶一轴晶：只有一个方向不产生双折射，即只有一根光轴的非均质体。（四方晶系，六方晶系，三方晶系）二轴晶：有两个方向不产生双折射，即有两根光轴的非均质体。（斜方晶系，单斜晶系，三斜晶系）第六十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期三矿物晶体中冰洲石的双折射现象最为明显冰洲石化学成分：CaCO3，晶系：三方晶系；形状：菱面体；

颜色：无色透明、紫色透明、浅黄色透明、金黄色透明、茶色透明、绿色透明；光性：一轴晶（―）；折射率：Ne=1.4864、No=1.6584(λ=589nm)；双折射率：0.1720；解理：完全解理；双晶：聚片双晶{0112}；因双折射特性，常被利用于偏光棱镜。第六十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期三双折射：自然光入射某些晶体后，分裂为相互垂直振动的两束偏光。是晶体光学性质表征参数之一。双折射现象产生的原因：光波在非均质体中传播时，其传播速度随光波振动方向不同而改变。自然光进入非均质体后，原来任意方向振动的光波，变成两个振动方向互相垂直的光波，并且传输速率一般不等。第六十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期三常光：其中一束振动方向永远垂直光轴，而且折射率值不变称为常光(o光)；折射率为No非常光：另一束偏光，它的折射率随入射光的方向变化而变化，称为非常光(e光)。振动方向在光波传播方向与光轴构成的平面内。折射率为Ne双折射率：两种偏光折射率之差称为双折射率。R=Ne-No一轴晶双折射为例：

当光发生双折射时，入射光分解形成两种偏光第六十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期三§2.光率体概念:

表示晶体中光波振动方向与折射率之间关系的一种光性指示体。光率体的构成：设想自晶体中心起，沿光波的各个振动方向按比例截取相应的线段(这些线段的长度代表相应的折射率值)，再把各线段的端点联接起来，便构成了该晶体的光率体。第六十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光率体的作法：

对一定方向入射光，在垂直入射方向的平面内，取其光振动方向为长短半径的方向（双折射振动方向互），对应折射率值为半径的长短半径，得两条互垂线段，以此互垂不等线段为长短轴半径做椭圆将各个入射方向的线段端连接起来，所围成的立体几何形体就是光率体。其半径差即为双折射率。

第六十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光率体的性质：表示晶体中光波振动方向与折射率间关系的一种光性指示体，是从晶体中客观抽象出，反映晶体各个方向上的光学特性。光率体是解释晶体光学性质和鉴定矿物的理论依据。当入射光的方向已知时，借助光率体就可以知道光波的振动方向和相应的折射率值。第六十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期三在各向异性晶体中光波的E矢量与D矢量之间的关系，可用物质方程来描述：第六十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期三介电张量是一个二阶对称张量，存在主轴，可以用二阶示性面方程Sijxixj=1来描述其几何性质第七十页，共九十二页，编辑于2023年，星期三若选取介电常数张量[](或[]）的主轴作为坐标轴，可写为：晶体的介电性质可以用三个主介电系数表示晶体的光学性质可以用三个主折射率表示第七十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期三-----称为折射率椭球(习惯上称为光率体)。由于可得到在主坐标系中，ij和ij的二阶示性面方程分别表示为：第七十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期三式中n1、n2、n3为该椭球体在主轴方向的折射率，称为主折射率。光率体的任意一条矢径的长度或模，表示沿该矢径方向振动的光波的折射率：第七十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期三光率体分类:根据晶体的光学性质分为:

光性均质光率体一轴晶光率体二轴晶光率体光率体的形状和取向将与其他二阶张量的示性曲面一样，受到晶体对称性的制约。第七十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期三2.光性均质体（高级晶族）的光率体：立方晶系晶体的对称特点是具有四个三次轴，光率体要包含晶体的这一对称特点，只能是个球。因此光率体方程可写为：第七十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期三2.光性均质体的光率体：球体任一切面是圆，折射率为定值光学主轴，光学对称面无数个（光学主轴：主折射率所代表的方向与大小）光波只有一个折射率n。在任何方向上都不发生双折射。所以高级晶族晶体也常称为光学上的各向同性体。第七十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期三3.一轴晶（中级晶族）光率体这类晶体的对称特点是只有一个高次轴，这个高次轴通常取为x3。光率体方程写为：第七十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期三3.一轴晶光率体也称为中级晶族光率体,包括四方晶系，六方晶系，三方晶系。特点：（1）

旋转椭球体，光率体方程:（2）

有二个光学主轴N0、Ne。；（3）

Ne轴是光轴OA（OpticalAxis），该方向无双折射；（4）

垂直光轴OA切面是圆，半径为常光N0，DR=0

（DoubleRefraction）；第七十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期三（5）

平行光轴切面为主切面（无数个），半径分别为N0、Ne，DR最大；（6）

不平行光轴切面仍为椭圆,半径分别为N0、Ne',DR居垂直与平行之间；（7）

Ne－N0=DR，

Ne－N0>0为正光性（＋），Ne=Ng,N0=Np

Ne－N0<0为负光性（－）；Ne=Np,N0=Ng

Ng-最大折射率，Np-最小折射率（8）只有一个光轴,称一轴晶。第七十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期三一轴晶正光性光率体一轴晶负光性光率体第八十页，共九十二页，编辑于2023年，星期三第八十一页，共九十二页，编辑于2023年，