Двозаломлення і поляризація світла

Попадаючи в анізотропний кристал середніх сингоній неполяризований промінь світла розпадається на два поляризованих промені, в яких площини коливань взаємно перпендикулярні (рис. 10.9). Кожний із цих променів має свій показник заломлення. Таке явище називається двозаломленням світла в мінералі. Виразно це спостерігається у досконалих кристалах кальциту – ісландському шпаті. Якщо дивитися на зображення через кристал ісландського шпату в напрямку, перпендикулярному до грані спайного ромбоедра, то зображення двоїться. Якщо світло падає на пластинку мінералу перпендикулярно, то один із плоско поляризованих променів проходить через мінерал без заломлення. Такий промінь називається звичайним (o). Інший промінь заломлюється і відхиляється. Такий промінь називають незвичним (e). Ми бачимо зображення, передане обома променями. Якщо ж пластинка кальциту зрізана перпендикулярно осі c , тоді в ній подвоєння зображення не спостерігається; двозаломлення в цьому напрямку не відбувається.

Рис. 10.10. Схема, що ілюстує двозаломлення в кристалі кальциту

Якщо спостерігати через грань спайного ромбоедра подвоєння крапки крапку на папері, обертаючи при цьому пластинку мінералу навколо осі, то ми побачимо, що одна із крапок, отримана від звичайного променя, залишається на місці, а інша – від незвичного променя, рисує навколо першої крапки коло.

Показник заломлення звичайного променя n_o не залежить від кута падіння і постійною величиною. Показник заломлення незвичного променя n_е залежить від кута падіння, а значить від напрямку, в якому він поширюється. Різниця між найбільшим і найменшим показниками заломлення називається силою двозаломлення. Приклади двозаломлення у мінералів наведені в табл. 10.3.

Рис. 10.10. Будова призми Ніколя.

Кристали ісландського шпату були використані Вільямом Ніколем для створення першого ефективного поляризатора, що спричинило активні дослідження мінералів під мікроскопом. Ці поляризатори у мінералогічному мікроскопі до сих пір в його честь називаються ніколями. При виготовленні призми Ніколя, видовжений ромбоедр розрізається під певним кутом, а потім дві половинки знову склеюються за допомогою канадського бальзаму таким чином, щоб торцеві грані призми утворювали із поверхнею склеювання кут в 90°.

Промінь, що входить в призму, розділяється на два промені O і E. Так як промінь O має більший показник заломлення в кальциті порівняно із канадським бальзамом, він здійснює повне внутрішнє заломлення від його поверхні. Промінь E, показник заломлення якого близький до показника заломлення бальзаму, проходить через призму без відхилення і виходить у вигляді плоско поляризованого світла.

У мінералів кубічної сингонії відсутнє двозаломлення. Вони не поляризують світло і показник заломлення для них не залежить від напрямку проходження через мінерал.

В мінералах гексагональної, тетрагональної та тригональної сингонії є особливий напрямок, вздовж якого промінь світла не розпадається на два і не поляризується. Цей напрямок називається оптичною віссю. Промінь, що проходить через мінерал перпендикулярно оптичній осі максимально двозаломлюється.

В мінералах нижчих сингоній закономірності поведінки світла більш складні. У таких кристалах обидва плоскополяризованих промені є незвичними і не підпорядковуються закону Снеллі. В них показники заломлення підпорядковуються напрямку: в якому поширюється промінь світла.

Якщо ми відкладемо вектори, пропорційні показнику заломлення, у всіх напрямках відносно центру кристалу, такі вектори опишуть поверхню, що, в цілому, відповідає трьохосному еліпсоїду із симетрією 3L₃3PC. Півосі еліпсоїда є екстремальними значеннями показників заломлення мінералу: Ng – найбільший, Np – найменший, Nm – середній.

Еліпсоїд показників заломлення або оптична індекатриса описується рівнянням

В цій фігурі є два кругових перетини, що проходять через середню вісь Nm. Лінії, перпендикулярні круговим перетинам (А₁– А₁ і А₂– А₂) називаються оптичними осями. Вздовж них двозаломлення променя не відбувається. Для опису оптичної індикатриси береться гострий кут між оптичними осями 2V.

Якщо Ng ≠ Np ≠ Nm, то еліпсоїд оптично двухвісний, Якщо Ng є бісектрисою 2V, то еліпсоїд оптично додатній (+2V). Якщо Np є бісектрисою 2V, то еліпсоїд оптично від’ємний (—2V).Оптично двухвісну индикатрису мають кристали нижньої категорії.

Рис. 10.11. Оптичні індикатриси кристалів. Нижчі категорії: а) додатня; б) від’ємна (перетин по Np – Ng); середні категорії: в) додатня; г) від’ємна; вища категорія (д).

При рівності двох осей трьохвісний еліпсоїд перетворюється в еліпсоїд обертання, що має один круговий перетин (рис. 10.11). Перпендикулярно цьому перетину двозаломлення не відбувається і цей напрямок є оптичної віссю Така індикатриса притаманна кристалам середньої категорії.Оптична вісь може співпадати з віссю індикатриси: якщо Ng≠Nm=Np, тоді Ng=N_e— еліпсоїд оптично додатній (N_е>N_о=+); якщо Np≠Nm=Ng, тоді Np=N_e — еліпсоїд оптично від’ємний(N_e<N_o= –). Если осі рівні равні (Ng=Nm=Np), то еліпсоїд перетворюється в кулю. Така індекатриса властива кристаллам кубічної сингонії і аморфним тілам. превращается в шар. Такая индикатриса свойственна изотропным кри­сталлам и аморфным телам.

Числові значення Ng, Nm, Np, ±2V, Ng – Np называются оптичними константами. Це характерні ознаки мінералу, що дозволяють ідентифікувати мінерали в зернах, більших ніж 0,005 мм. Оптичні дослідження проводяться за допомогою поліризаційного мінералогічного мікроскопу.