☎ +7 (812) 329-41-74

Поляризационные микроскопы: особенности и принцип работы

Общие принципы

Поляризационные микроскопы позволяют проводить исследования в поляризованном свете анизотропных прозрачных и непрозрачных объектов, т.е. объектов, у которых оптические свойства не одинаковы по различным кристаллографическим направлениям . Знание анизотропии препарата позволяет судить о его структуре и физико-химических свойствах. Методы исследования в поляризованном свете с успехом применяются не только в геологии, минералогии и петрографии, но также в биологии, геохимии, стекольной промышленности и др. областях науки и техники.

‼ Проявляется анизотропия в поляризованном свете.

Поляризованным называется свет, амплитуды колебаний которого по разным направлениям различны. Важнейшим свойством оптически анизотропной среды является способность поляризовать свет – разлагать естественный свет на две волны (обе плоскополяризованные), электромагнитные колебания которых совершаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с различными скоростями и, следовательно, с различными показателями преломления. Это явление называется двойным лучепреломлением или двупреломлением.

Используя явление двупреломления, можно преобразовать свет естественный в плоскополяризованный (или линейно поляризованный). Для этого используется поляризатор, представляющий собой поляризационный светофильтр (поляроид), принцип действия которого основан на явлении плеохроизма, т.е. через него проходят только лучи, поляризованные в одной плоскости, тогда как лучи с колебаниями в других плоскостях – поглощаются. Поляроид представляет собой тонкую пленку, которую вклеивают между плоскопараллельными стеклянными пластинками.

Другим проявлением оптической анизотропии является анизотропия поглощения – плеохроизм, который проявляется в том, что свет, проходящий через среду, поглощается по-разному в зависимости от ориентации плоскости поляризации и от направления распространения.

‼ Одно из основных требований к стеклянной оптики поляризационного микроскопа – отсутствие деформаций и внутренних натяжений, в результате которого возникает искусственное двойное лучепреломление. Это накладывает серьезные ограничения на пригодность упрощенных моделей поляризационных микроскопов к исследованию объектов с очень малым двулучепреломлением, какое встречается, например, в биологии.

‼ Исследование анизотропии объектов производится на поляризационных микроскопах.

>Если наблюдение объекта производится через микроскоп, то интерференция поляризованных лучей изучается двумя способами: ортоскопическим наблюдением и коноскопическим.

Интеференционные фигуры, наблюдаемые при коноскопическом методе наблюдения, дают возможность определить: одно- или двухосный объект, знак двойного лучепреломления (т.е. оптический знак кристалла), какова ориентация объекта и величина угла между оптическими осями.

Явления анизотропии имеют место также и при отражении света от многих непрозрачных объектов. У таких объектов изучают двуотражение – явление, подобное двойному лучепреломлению прозрачных объектов.

В зависимости от назначения и сложности конструкции поляризационные микроскопы условно можно разделить на следующие группы:

  • петрографические поляризационные микроскопы ………, предназначенные для кристаллооптических исследований минералов (и др. прозрачных объектов) в прозрачных шлифах (плоскопараллельный срез горной породы или минерала толщиной 0,03 мм, помещенный между предметным и покровным стеклом) в проходящем свете;
  • «рудные» поляризационные микроскопы …….., предназначенные для минераграфических исследований непрозрачных объектов (напрмер, рудных минералов) в отраженном свете .
  • универсальные поляризационные микроскопы …….., предназначенные для всесторонних исследований как в проходящем, так и в отраженном свете. Эти микроскопы имеют все отличительные признаки петрографического и « рудного» микроскопа и комплектуются большим набором оптики и принадлежностей.

Поляризационный петрографический исследовательский микроскоп проходящего света.

В настоящее время поляризационные микроскопы позволяют оптическим путем изучать оптические свойства минералов, что позволяет производить качественную и количественную диагностику горных пород угля, кристаллов и др. объектов. Поляризационный микроскоп отличается от более известного нам биологического микроскопа наличием поляризаторов (николей) , преобразующих лучи обыкновенного света в плоскополяризованные. Наблюдения производят в поляризованном свете, при одном, или при скрещенных николях.

Главными частями поляризационного микроскопа являются: штатив с осветительной системой, конденсор с поляризатором и линзой Лазо, предметный вращающийся столик с точностью отсчета углов поворота 0.1°, револьверное устройство с центрируемыми гнездами для установки объективов, промежуточный тубус с центрируемой и фокусируемой линзой Бертана и анализатором, и бинкулярной (тринокулярной) визуальной насадкой. Поляризационная система микроскопа представлена двумя николями - нижним (поляризатором) и верхним (анализатором). При этом направление пропускаемых анализатором колебаний должно быть перпендикулярно направлению колебаний, пропускаемых поляризатором.

К микроскопу прилагается набор поляризационных объективов с различными увеличениями и набор окуляров. Общее увеличение микроскопа близко к произведению чисел, указывающих увеличение объектива и окуляра. В комплект микроскопа входят также ключи для центрировки объектива и компенсаторы.

Все минералы делятся на оптически изотропные и анизотропные. Анизотропные минералы обладают свойством двойного лучепреломления, - способностью разлагать естественный свет на две волны, имеющие различные показатели преломления.

Различие между оптически изотропными и анизотропными минералами определяются при скрещенных николях в параллельном свете (при введенном анализаторе).

Поведение изотропных сред под микроскопом. Поляризованный свет из поляризатора проходит через изотропное вещество без изменений, с колебаниями, которые лежат в плос¬кости поляризатора. Анализатор, повернутый в микроскопе на 90о по отношению к по¬ляризатору, эти колебания не пропускает. Все изотропные вещества (зерна кристаллов кубической сингонии, стекло, канадский бальзам) остаются при вращении столика микроскопа темными.

Поведение анизотропных минералов под микроскопом. В отличие от изотропных сред, в анизотропных кристаллах при скрещенных николях возникает цветовой эффект, называемый интерференционной окраской. Зер¬на таких кристаллов окрашены часто в очень красивые и яркие цвета, причем скошенные края зерен окантованы каемкой из разноцветных полос.

‼ Известно, что интерференция световых волн возможна в том случае, если волны движутся в одном направлении, имеют одинаковую длину волны и совершают колебания в одной плоскости.

Однако, в анизотропном кристалле поляризованный луч расщепляется на два луча, которые проходят через кристалл с разными скоростями и имеют некоторую раз¬ность хода. Поскольку плоскости колебаний этих лучей в кристалле взаимно перпендикуляр¬ны, то лучи не могут интерферировать. Анализатор сводит колебания этих лучей в кристалле к одной плоскости . Поэтому лучи, прошедшие через кристалл и анализатор, могут и нтерферировать.

Такое сложение приводит к явлению интерференции и появлению интерференционных окрасок в различных сечениях анизотропных минералов при скрещенных николях. При вращении шлифа на предметном столике интерференционные окраски исчезают при совмещении осей оптической индикатрисы в отдельных зернах минералов с направлениями пропускаемых николями световых колебаний и достигают наибольшей яркости в диагональных положениях, т.е. под углом 45°. При этом максимальная интерференционная окраска в диагональном положении будет наблюдаться в том случае, если сечение оптически одноосного минерала строго параллельно оптической оси, а оптически двуосного - плоскости оптических осей. В случайных разрезах сила двупреломления имеет промежуточную величину, а в сечениях, перпендикулярных к оптической оси, становится наименьшей или равно нулю. Поэтому яркость интерфереционной окраски в любом случайном сечении оптически анизотропного минерала зависит от толщины зерна, силу двупреломления и угла поворота осей оптической индикатрисы относительно плоскость световых колебаний. Интерфереционная окраска используется для приближенного определения величины двойного лучепреломления минерала в наблюдаемом сечении с помощью цветной номограммы Мишель-Леви. Величина двойного лучепреломления является одной из важнейших характеристик при диагностике минералов.

Однако для более точного определения величины двупреломления и порядка цветов интерференции используются специальные приборы – компенсаторы (компенсационные пластинки и кварцевый клин), изменяющие разность хода интерферирующих волн и этим повышающие или понижающие интерференционную окраску минерала. Компенсационные пластинки вмонтированы в металлические оправы таким образом, что по удлинению ориентирована ось Np, а в перпендикулярном - Ng. Определение порядка интерференционной окраски минералов с помощью компенсаторов основано на правиле компенсации: если над минералом поместить компенсатор так, чтобы одноименные оси оптической индикатрисы минерала и компенсатора оказались параллельны, то результирующая разность хода будет равна сумме разностей хода минерала и компенсатора, соответственно цвет интерференции повысится и будет отвечать новому значению разности хода. В случае перекрещенного положения осей индикатрис минерала и компенсатора результирующая разность хода равна их разности в минерале и компенсаторе и суммарный эффект выразится в понижении цветов интерференции, а при равенстве разностей хода минерала и компенсатора наступает полная компенсация и зерно гаснет. При исследовании минералов с цветами интерференции не выше начала второго порядка используется кварцевая пластинка, а минералов с более высоким двупреломлением - кварцевый клин.

При двух николях определяется: величина двойного лучепреломления; угол погасания и оптическая ориентировка минерала (наименование осей оптической индикатрисы); состав плагиоклазов.

С одним николем (только поляризатор) изучаются: форма кристаллов и степень их идиоморфизма, цвет и плеохроизм минералов, спайность и угол между направлениями спайности, величина относительных показателей преломления зерен минералов по рельефу, шагреневой поверхности и полоске Бекке.

Поляризационные «рудные» микроскопы отраженного света

предназначены для изучения основных физических свойств минералов в отраженном свете: отражательная способность (отражение), анизотропия (двуотражение), цвет, внутренние рефлексы, твердость.

Методы исследования в поляризованном свете с успехом применяются не только в геологии, минералогии и петрографии, но также в биологии, геохимии, стекольной промышленности и др. областях науки и техники.

Для исследования рудных минералов используются специальные поляризационные микроскопы, отличающиеся от петрографических тем, что имеют специальную приставку – опак-иллюминатор для направления пучка света сверху на полированную поверхность, т.е. принципиально иной схемой освещения объектов.

Подобно любому поляризационному микроскопу «рудный» микроскоп состоит из штатива, тубуса и предметного. вращающегося на 360°, столика. Эти детали служат для взаимной связи между его оптическими частями (объектив, окуляр, опак-иллюминатор с осветителем и поляризатором, анализатор) и объектом, помещенным на предметный столик.

Столики таких микроскопов могут перемещаться в вертикальном направлении, что дает возможность изучать не только шлифы, но и штуфные полировки.

Объектом для исследования руд в отраженном свете служат полированные шлифы (аншлифы). Наблюдения в микроскопе производят в поляризованном свете, при одном, или при скрещенных николях.

Полированные шлифы прикрепляют к толстому предметному стеклу или металлической пластинке с помощью пластилина. Параллельность верхней полированной плоскости шлифа и плоскости пластинки достигается с помощью ручного пресса. При изучении руд под микроскопом в отраженном свете очень большое значение имеет строго горизонтальное положение полированной плоскости шлифа, следовательно, эту операцию необходимо проводить наиболее тщательно. Пластинку со шлифом, приведенным в горизонтальное положение, помещают на столик микроскопа.

При изучении прозрачных и полупрозрачных минералов иногда применяют прозрачно-полированные шлифы, которые одновременно можно изучать в проходящем свете с помощью обычного петрографического метода.

Необходимо отметить, что анизотропию рудных минералов можно наблюдать только в хорошо полированных шлифах, иначе даже у изотропных минералов может появиться явление эллиптической поляризации, возникающее в результате многократного отражения света от шероховатой поверхности шлифа.

Для наблюдения поляризации у минералов в отраженном свете применяют обычные поляризационные микроскопы, снабженные опак-иллюминаторами с поляризатором. Поляризатор расположен перед окном опакиллюминатора между осветителем и рефлектором и устанавливают так, чтобы плоскость колебания поляризованного света, прошедшего через поляризатор, была строго параллельна плоскости падения отражающей поверхности призмы или стеклянной пластинки иллюминатора.

Установка оптической системы микроскопа для работы в поляризованном свете ведется следующим образом. На столик микроскопа помещают полированный шлиф какого-нибудь изотропного минерала с низкой отражательной способностью (например, галенит). Часто для этой цели используют хорошо отполированную стеклянную пластинку. В тубус микроскопа вводится анализатор, а поляризатор вращают до появления полной темноты, которая должна оставаться постоянной при повороте столика на 360°.

Для выявления поляризации у минералов, особенно слабо анизотропных, работу рекомендуется вести с николями (поляризатором и анализатором), несколько выведенными из скрещенного положения. В этих случаях предварительную установку микроскопа проводят по какому-нибудь известному ясно анизотропному минералу (например, стибниту, буланжериту, пирротину), добиваясь наиболее резкого эффекта поляризации. На практике применение поляризованного отраженного света сводится в основном к определению того, является ли изучаемый минерал изотропным или анизотропным. Внутри диагностических групп определяется также и степень поляризации — анизотропные, сильно анизотропные и слабо анизотропные.

При определении степени анизотропности минерала в шлифе выбирается место, где имеются различно ориентированные зерна минерала; в поляризованном свете одни из них будут темными, другие светлыми. Затем вращают столик микроскопа; при полном повороте столика будут наблюдаться четыре положения минимума интенсивности освещения каждого зерна минерала через каждые 90°. Из четырех положений обычно два резко выражены — темное и светлое, а два — слабее. У сильно анизотропных минералов будут заметны все четыре изменения в освещении зерен; у слабо анизотропных невооруженным глазом можно наблюдать только два. У прозрачных минералов определению поляризации мешают внутренние рефлексы. Однако если вращать поляризатор, выводя его из скрещенного положения, можно наблюдать момент, когда внутренний рефлекс почти не виден.

Отражательная способность изотропных минералов имеет одно значение и не зависит от разрезов кристаллических зерен минерала, в шлифе.

Поэтому для характеристики отражательной способности анизотропного минерала необходимо определять его наибольшую, наименьшую и среднюю отражательную способность. Известно много минералов (например, молибденит, графит, валлериит), у которых отражательная способность для Rp, Rm и Rg или Re и Ro резко отличается. О таких минералах говорят, что они обладают двуотражением. Степень двуотражения характеризуется разностью между наибольшими и наименьшими значениями отражательной способности. Двуотражение определяют в поляризованном отраженном свете при одном поляризаторе.

Цвет минералов в отраженном свете под микроскопом служит одним из наиболее существенных диагностических признаков. Его различают по яркости (отражательная способность минерала) и по цвету (дисперсия отражательной способности).

Цвет рудных минералов устанавливают методом сравнения с эталонными минералами. В качестве эталонных минералов используют галенит и сфалерит (эталоны бесцветных минералов). Строго говоря, в отраженном свете нет бесцветных минералов, так как световая волна, отражаясь от абсорбирующих сред, всегда приобретает цветовой оттенок, однако интенсивность цветового тона у бесцветных минералов выражена настолько слабо, что их условно можно считать бесцветными.

Минералы по цвету в отраженном свете разбиты на две группы: цветные (цветной тон отчетливо наблюдаем) и бесцветные, такие, как галенит и сфалерит. С галенитом сравнивают окраску минералов двух первых диагностических групп по отражательной способности, сфалерит используется для минералов, отражательная способность которых не больше сфалерита.

Методика определения цвета рудных минералов в отраженном свете сводится к следующему. Если в полированном шлифе, поблизости от неизвестного минерала имеется минерал-эталон, то можно довольно точно определить не только его цвет, но и слабые оттенки. Если в шлифе такого минерала нет, то поступают следующим образом. Одну из боковых сторон изучаемого шлифа и боковую сторону шлифа с минералом-эталоном пришлифовывают, затем пришлифованные плоскости прикладывают друг к другу и монтируют с помощью ручного пресса так, чтобы полированные поверхности обоих шлифов лежали в одной плоскости. Необходимо также, чтобы оба минерала попадали в поле зрения микроскопа или по возможности располагались близко друг от друга. Сравнивая изучаемый минерал с минералом-эталоном, можно определить его окраску и особенно цветовой оттенок минерала так называемой бесцветной группы. Определение оттенка бесцветных минералов в отраженном свете облегчается и уточняется применением красного, желтого и зеленого светофильтров, как уже было отмечено при определении отражательной способности цветных минералов. При зеленом светофильтре наибольшая отражательная способность будет у минералов с зеленым и синим оттенком (пираргирит, прустит, буланжерит); при желтом – у минералов с желтым оттенком (пирит, марказит и др.); при красном светофильтре — у минералов с красным, розовым и оранжевым оттенком (арсенопирит, раммельсбергит, хлоантит и др.).

В определительных таблицах количественные значения отражательной способности приведены в зеленом, оранжевом и красном Монохроматических цветах, что дает возможность выяснить не только окраску минерала, но и незначительные оттенки бесцветных минералов.