Соответственно этому обыкновенный свет применяется в металлографии для исследования изотропных объектов , или же в тех случаях (а их большинство), в которых данные об анизотропии не важны или не являются целью. Оптические свойства анизотропных микрообъектов различны в различных направлениях и проявляются по-разному в зависимости от ориентации этих объектов относительно направления наблюдения и плоскости поляризации света, падающего на них, поэтому при их исследовании применяется поляризованный свет, обладающий свойством анизотропии .

В поляризованном свете имеют место колебания только в одном определенном направлении в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света (рис.1, б). Визуально различить обыкновенный и поляризованный свет невозможно. Получение и анализ поляризованного света основан исключительно на его взаимодействии с веществом. Непременным условием при этом является анизотропия самого вещества. В микроскопии для получения и анализа поляризованного света используются две призмы Николя (общепринятый термин - просто «николи»). Николи изготавливаются из прозрачных кристаллов исландского шпата, обладающего свойством двойного лучепреломления. Поэтому николь пропускает колебания только одного направления. Схема получения поляризованного света представлена на рис. 2. Поскольку обыкновенный свет содержит колебания различных направлений, то первый николь всегда пропустит какую-то часть из них, в соответствии с направлением своей оптической оси. Если ориентация оптических осей николя 2 и николя 1 совпадают (николи параллельны, рис. 2,а), то николь 2 пропустит свет. Если ориентации оптических осей николей взаимно перпендикулярны (николи скрещены, рис. 2,б), то поверхность образца при этом будет восприниматься темной; николь 2 только пропускает эллиптически поляризованный свет. Подробно этот вопрос рассмотрен в .

Рисунок 2. Схема хода лучей при параллельных и скрещенных николях [ 1].

Николь 1 называется поляризатором, николь 2 - анализатором.
Метод наблюдения в поляризованном свете (поляризационная микроскопия) служит как для микроскопических исследований минералов, биологических объектов, так и для анализа структуры металлов и неметаллических материалов.
Традиционно в металлографии поляризованный свет применяют для изучения неметаллических включений . Поскольку определенная часть неметаллических включений оптически прозрачна, исследование основано на различии оптических свойств включения в различных направлениях, т.е. их оптической анизотропии . Оптическая анизотропия проявляется при прохождении света внутри включения и при отражении света от его поверхности. Плоская поверхность и прозрачное включение по-разному взаимодействуют со световым потоком. Плоско поляризованный свет, отраженный от плоской поверхности, задерживается анализатором и поверхность выглядит темной. Часть света преломляется на внешней поверхности включения, проходит внутрь, отражается на поверхности включение-металл и выходит наружу, вновь испытывая преломление на внутренней поверхности . В результате свет перестает быть поляризованным. Поэтому при скрещенном положении анализатора и поляризатора видно светлое изображение включения на темном фоне. Цвет включения может изменяться в результате интерференции, что связано с анизотропными эффектами при отражении поляризованного света.
Используя поляризованный свет можно сделать выводы о форме прозрачных включений. Если включение имеет правильную круглую форму, то на его светлопольном (рис.3,а) и темнопольном изображениях появляются концентрические кольца, связанные с интерференцией лучей, отраженных от внутренней поверхности включения. В поляризованном свете при скрещенных николях наблюдается эффект темного креста (рис. 3,б). Контраст концентрических колец и темного креста зависит от совершенства формы включения.

Рисунок 3. Шаровидные остеклованные включения металлургического шлака в светлом поле (а) и поляризованном свете (б).

Рисунок 4. Круглое включение шлака в силумине: а - светлое поле, б - темное поле, в,г - поляризованный свет (в -николи параллельны, г- николи скрещены)

Если включение не прозрачно, то концентрические кольца на светлопольном и темнопольном изображениях не проявляются. В поляризованном свете (рис.4,в-г) эффект темного креста отсутствует.

Специфические эффекты, возникающие в поляризованном свете, рассмотрены также в статье «Оптические эффекты». Это, в первую очередь, ямки травления и световые фигуры на дефектах поверхности.
Здесь остановимся на том, что можно получить в поляризованном свете для достаточно обычных в металловедении объектов. На рис.5 показано сравнение фотографий структуры серого чугуна, полученных различными методами контрастирования. Для данного материала наиболее информативно светлое поле, видно максимальное количество деталей изображения. В темном поле «светятся» все неплоскостные детали структуры - цементит и фосфид железа. Плоскости - феррит и матрица фосфидной эвтектики - темные. Включение графита - серое, немного видны его границы. Можно сказать, что в темном поле данное изображение, в основном, черно-белое. В поляризованном свете картина меняется. Цементит перлита «светится». При этом каждая колония имеет свой цветовой оттенок, в зависимости от ориентации. Цементит в составе фосфидной эвтектики должен был бы тоже «светиться», но при данном масштабе изображения этого не видно. Соединение Fe3P светится. Поскольку феррит имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку, он не изменяет плоскость поляризации, поэтому в поляризованном свете феррит - темный.

Рисунок 5. Структура серого чугуна: а - светлое поле, б - темное поле, в - поляризованный свет.

На рис.6 показана структура чугуна, легированного ниобием. Фазовый состав - карбиды и аустенит. В поляризованном свете карбидная фаза окрашена в оттенки синего. Темная составляющая - аустенит в составе эвтектики.

Рисунок 6. Структура чугуна: а - светлое поле, б - поляризованный свет

1. А.Н.Червяков, С.А. Киселева, А.Г. Рыльникова. Металлографическое определение включений в стали. М.: Металлургия, 1962.

2. Е.В.Панченко и др. Лаборатория металлографии. М.: Металлургия, 1965.

Применения поляризации света в практических нуждах достаточно разнообразны. Так, некоторые примеры применения разрабатывались очень много лет назад, но продолжают использоваться в настоящее время. Другие примеры применений только находятся на стадии внедрения

Рисунок 1. Применение поляризации света. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

В методическом смысле всем им присуще одно общее свойство – либо они способствуют решению конкретных задач в физике, либо вовсе недоступны в отношении других методов или позволяют решать их нестандартным, но при этом более оперативным и эффективным способом.

Явление поляризации света

С целью более детального знакомства с применением поляризации света, следует понимать суть самого явления поляризации.

Определение 1

Явление поляризации света является оптическим феноменом, нашедшим свое применение в техническом смысле, однако при этом не встречающимся в рамках повседневной жизни. Поляризованный свет нас в буквальном смысле окружает, однако для человеческого глаза сама поляризация остается практически недоступной. Мы, таким образом страдаем «поляризационной слепотой».

Создаваемый солнцем (или каким-либо иным обычным источником, например, лампой) естественный свет является совокупностью волн, которые излучаются за счет огромного числа атомов.

Поляризованной волной будет считаться поперечная волна, где колебания всех частиц выполняется в пределах в одной плоскости. Ее при этом можно получить, благодаря резиновому шнуру, в том случае, если поставить на его пути специальную преграду с тонкой щелью. Щель, в свою очередь, будет пропускать исключительно колебания, происходящие вдоль нее. Плоскополяризованная волна излучается отдельным атомом.

Примеры поляризации света и закон Умова

В природе существует множество разнообразных примеров поляризации света. При этом можно рассмотреть наиболее распространенные из них:

• Самым простым и широко известным примером поляризации является чистое небо, которое считается ее источником.
• Другими широко распространёнными случаями можно считать блики на стеклянных витринах и водной поверхности. При необходимости они устраняются за счет соответствующих поляроидных фильтров, которыми зачастую пользуются фотографы. Данные фильтры становятся незаменимыми в случае необходимости запечатления на фотоснимках каких-либо защищённых стеклом картин либо экспонатов из музея.

Принцип действия вышеуказанных фильтров базируется на том факте, что совершенно любому отраженному свету (в зависимости от угла падения) присуща определенная степень поляризации. При взгляде на блик, таким образом, легко можно подобрать оптимальный угол расположения фильтра, при котором он подавляется, вплоть до своего полного исчезновения.

Аналогичный принцип задействуют производители качественных очков с солнцезащитным фильтром. За счет задействования в их стекле поляроидных фильтров, убираются те блики, которые мешают. Они, в свою очередь, исходят от поверхностей мокрого шоссе или моря.

Замечание 1

Эффективное применение явления поляризации демонстрирует закон Умова: любой рассеянный свет с неба – это солнечные лучи, ранее претерпевшие множественные отражения от молекул воздуха, и неоднократно при этом преломившиеся в каплях воды или кристаллах льда. Наряду с тем, процесс поляризации будет характерным не только в отношении направленного отражения (от воды, например), но и для диффузного.

В 1905 году физики представили доказательство версии о том, что, чем темнее поверхность отражения световой волны, тем более высокой оказывается степень поляризации, и именно эту зависимость удалось доказать в законе Умова. Если рассматривать данную зависимость на конкретном примере с асфальтовым шоссе, выходит, что во влажном состоянии оно становится более поляризованным в сравнении с сухим.

Применение поляризации света в истории и в повседневной жизни

Поляризация света, таким образом, оказывается непростым явлением для изучения, а важным в плане широкого практического применения в физике. На практике в повседневной жизни встречаются следующие примеры:

1. Ярким примером, знакомым всем, является 3D-кинематограф.
2. Еще одним распространенным примером являются поляризационные очки, скрывающие солнечные блики от воды и света фар на трассе.
3. Так называемые поляризационные фильтры задействованы в фототехнике, а поляризация волн применяется с целью передачи сигналов между антеннами разных космических аппаратов.
4. Одной из главнейших повседневных задач светотехники считается постепенное изменение и регулирование интенсивности световых потоков. Решение данной задачи за счет пары поляризаторов (поляроидов) обладает определенными преимуществами перед остальными методами регулирования. Поляроиды могут изготавливаться в формате больших размеров, что предполагает употребление таких пар не только в лабораторных установках, но и в иллюминаторах пароходов, окнах ж/д вагонов и пр.
5. Еще одним примером является поляризационная блокировка, применяемая в световом оборудовании рабочего места операторов, которые обязаны видеть одновременно, например, экран осциллографа и определенные таблицы, карты или графики.
6. Поляроиды могут оказаться полезными для тех, чья работа связана с водой (моряки, рыбаки), с целью гашения зеркально отражающихся от воды бликов, частично поляризованных.

Рисунок 2. Применение поляризационных устройств. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Замечание 2

Гашение отраженного света в условиях нормального или близкого к нормальному падения может осуществляться за счет циркулярных поляризаторов. Ранее наука доказала, что в этом случае право циркулярный свет преобразуется в лево циркулярный (и обратно). Тот же самый поляризатор, таким образом, создающий циркулярную поляризацию падающего света, будет провоцировать гашение отраженного света.

В астрофизике, спектроскопии, светотехнике свое широкое применение находят так называемые поляризационные фильтры, позволяющие вычленять узкие полосы из исследуемого спектра и провоцирующие изменения насыщенности или цветовых оттенков.

Действие таких фильтров основывается на свойствах основных параметров фазовых пластинок (дихроизм поляроидов) и поляризаторов, находящихся в непосредственной зависимости от длины волны. По этой причине разнообразные комбинации подобных устройств могут применяться в целях изменений спектрального энергораспределения в световых потоках.

Пример 1

Так, например, пара хроматических поляроидов, которым присущ дихроизм исключительно в пределах видимой сферы, в скрещенном положении начнет пропускать красный свет, а в параллельном – только белый. Такое простейшее устройство будет эффективным в практическом применении при освещении фотолабораторий.

Таким образом, сфера применения поляризации света является достаточно разнообразной. По этой причине исследование явления поляризации приобретает свою особенную актуальность.

В. МУРАХВЕРИ

Явление поляризации света, изучаемое и в школьном и в институтском курсах физики, остается в памяти многих из нас как любопытный, находящий применение в технике, но не встречающийся в повседневной жизни оптический феномен. Голландский физик Г. Кеннен в своей статье, опубликованной в журнале «Натуур эн техниек», показывает, что это далеко не так – поляризованный свет буквально окружает нас.

Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой». В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Человеку можно объяснить, что такое поляризация, с помощью специальных светофильтров он может увидеть, как меняется свет, если «вычесть» из него поляризацию, но представить себе картину мира «глазами пчелы» мы, видимо, не можем (тем более что зрение насекомых отличается от человеческого и во многих других отношениях).

Рис. 1. Схема строения зрительных рецепторов человека (слева) и членистоногого (справа). У человека молекулы родопсина расположены беспорядочно с складках внутриклеточной мембраны, у членистоногих – на выростах клетки, аккуратными рядами

Поляризация – это ориентированность колебаний световой волны в пространстве. Эти колебания перпендикулярны направлению движения луча света. Элементарная световая частица (квант света) представляет собой волну, которую можно сравнить для наглядности с волной, которая побежит по канату, если, закрепив один его конец, другой встряхнуть рукой. Направление колебаний каната может быть различным, смотря по тому, в каком направлении встряхивать канат. Точно так же и направление колебаний волны кванта может быть разным. Пучок света состоит из множества квантов. Если их колебания различны, такой свет не поляризован, если же все кванты имеют абсолютно одинаковую ориентацию, свет называют полностью поляризованным. Степень поляризации может быть различной в зависимости от того, какая доля квантов в нем обладает одинаковой ориентацией колебаний.

Существуют светофильтры, пропускающие только ту часть света, волны которой ориентированы определенным образом. Если через такой фильтр смотреть на поляризованный свет и при этом поворачивать фильтр, яркость пропускаемого света будет меняться. Она будет максимальна при совпадении направления пропускания фильтра с поляризацией света и минимальна при полном, (на 90°) расхождении этих направлений. С помощью фильтра можно обнаружить поляризацию, превышающую примерно 10%, а специальная аппаратура обнаруживает поляризацию порядка 0,1%.

Поляризационные фильтры, или поляроиды, продаются в магазинах фотопринадлежностей. Если через такой фильтр смотреть на чистое голубое небо (при облачности эффект выражен гораздо слабее) примерно в 90 градусах от направления на Солнце, то есть чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба. Поляроидный фильтр открывает нам явление, которое пчелы видят «простым глазом». Но не надо думать, что пчелы видят ту же темную полосу на небе. Наше положение можно сравнить с положением полного дальтоника, человека, неспособного видеть цвета. Тот, кто различает только черное, белое и различные оттенки серого цвета, мог бы, смотря на окружающий мир попеременно через светофильтры различного цвета, заметить, что картина мира несколько меняется. Например, через красный фильтр иначе выглядел бы красный мак на фоне зеленой травы, через желтый фильтр стали бы сильнее выделяться белые облака на голубом небе. Но фильтры не помогли бы дальтонику понять, как выглядит мир человека с цветным зрением. Так же, как цветные фильтры дальтонику, поляризационный фильтр может лишь подсказать нам, что у света есть какое-то свойство, не воспринимаемое глазом.

Поляризованность света, идущего от голубого неба, некоторые могут заметить и простым глазом. По данным известного советского физика академика С.И. Вавилова, этой способностью обладают 25...30% людей, хотя многие из них об этом не подозревают. При наблюдении поверхности, испускающей поляризованный свет (например, того же голубого неба), такие люди могут заметить в середине поля зрения слабо-желтую полоску с закругленными концами.

Рис. 2.

Еще слабее заметны голубоватые пятнышки в ее центре, по краям. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера, она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 году. Способность видеть эту фигуру можно развивать, если хотя бы раз удастся ее заметить. Интересно, что еще в 1855 году, не будучи знакомым со статьей Гайдингера, напечатанной за девять лет до того в одном немецком физическом журнале, Лев Толстой писал («Юность», глава XXXII): «...я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает...» Такова была наблюдательность великого писателя.

Рис. 3.

В неполяризованном свете (1 ) колебания электрической и магнитной составляющей идут в самых разных плоскостях, которые можно свести к двум, выделенным на этом рисунке. Но колебаний по пути распространения луча нет (свет в отличие от звука – не продольные колебания). В поляризованном свете (2 ) выделена одна плоскость колебаний. В свете, поляризованном по кругу (циркулярно), эта плоскость закручивается в пространстве винтом (3 ). Упрощенная схема объясняет, почему поляризуется отраженный свет (4 ). Как уже сказано, все существующие в луче плоскости колебаний можно свести к двум, они показаны стрелками. Одна из стрелок смотрит на нас и условно видна нам как точка. После отражения света одно из существующих в нем направлений колебаний совпадает с новым направлением распространения луча, а электромагнитные колебания не могут быть направлены вдоль пути своего распространения.

Фигуру Гайдингера можно увидеть гораздо яснее, если смотреть через зеленый или синий светофильтр.

Поляризованность света, исходящего от чистого неба, – лишь один из примеров явлений поляризации в природе. Другой распространенный случай – это поляризованность отраженного света, бликов, например, лежащих на поверхности воды или стеклянных витрин. Собственно, фотографические поляроидные фильтры и предназначены для того, чтобы фотограф мог в случае необходимости устранять эти мешающие блики (например, при съемке дна неглубокого водоема или фотографировании картин и музейных экспонатов, защищенных стеклом). Действие поляроидов в этих случаях основано на том, что отраженный свет в той или иной степени поляризован (степень поляризации зависит от угла падения света и при определенном угле, разном для разных веществ, – так называемом угле Брюстера – отраженный свет поляризован полностью). Если теперь смотреть на блик через поляроидный фильтр, нетрудно подобрать такой поворот фильтра, при котором блик полностью или в значительной мере подавляется.

Применение поляроидных фильтров в противосолнечных очках или ветровом стекле позволяет убрать мешающие, слепящие блики от поверхности моря или влажного шоссе.

Почему поляризован отраженный свет и рассеянный свет неба? Полный и математически строгий ответ на этот вопрос выходит за рамки небольшой научно-популярной публикации (читатели могут найти его в литературе, список которой приведен в конце статьи). Поляризация в этих случаях связана с тем, что колебания даже в неполяризованном луче уже в определенном смысле «поляризованы»: свет в отличие от звука не продольные, а поперечные колебания. В луче нет колебаний по пути его распространения (см. схему). Колебания и магнитной и электрической составляющей электромагнитных волн в неполяризованном луче направлены во все стороны от его оси, но не по этой оси. Все направления этих колебаний можно свести к двум, взаимно перпендикулярным. Когда луч отражается от плоскости, он меняет направление и одно из двух направлений колебаний становится «запретным», так как совпадает с новым направлением распространения луча. Луч становится поляризованным. В прозрачном веществе часть света уходит вглубь, преломляясь, и преломленный свет тоже, хотя и в меньшей степени, чем отраженный, поляризован.

Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован. Поляризация происходит не только при направленном отражении (например, от водной глади), но и при диффузном. Так, с помощью поляроидного фильтра нетрудно убедиться, что поляризован свет, отраженный от покрытия шоссе. При этом действует удивительная зависимость: чем темнее поверхность, тем сильнее поляризован отраженный от нее свет. Эта зависимость получила название закона Умова, по имени русского физика, открывшего ее в 1905 году. Асфальтовое шоссе в соответствии с законом Умова поляризовано сильнее, чем бетонное, влажное – сильнее, чем сухое. Влажная поверхность не только сильнее блестит, но она еще и темнее сухой.

Заметим, что свет, отраженный от поверхности металлов (в том числе от зеркал – ведь каждое зеркало покрыто тонким слоем металла), не поляризован. Это связано с высокой проводимостью металлов, с тем, что в них очень много свободных электронов. Отражение электромагнитных волн от таких поверхностей происходит иначе, чем от поверхностей диэлектрических, непроводящих.

Поляризация света неба была открыта в 1871 году (по другим источникам даже в 1809 году), но подробное теоретическое объяснение этого явления было дано лишь в середине нашего века. Тем не менее, как обнаружили историки, изучавшие древние скандинавские саги о плаваниях викингов, отважные мореходы почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Обычно они плавали, ориентируясь по Солнцу, но, когда светило было скрыто за сплошной облачностью, что не редкость в северных широтах, викинги смотрели на небо через специальный «солнечный камень», который позволял увидеть на небе темную полоску в 90° от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. «Солнечный камень» – видимо, один из прозрачных минералов, обладающих поляризационными свойствами (скорее всего распространенный на севере Европы исландский шпат), а появление на небе более темной полосы объясняется тем, что, хотя за облаками Солнца и не видно, свет неба, проникающий через облака, остается в какой-то степени поляризованным. Несколько лет назад, проверяя это предположение историков, летчик провел небольшой самолет из Норвегии в Гренландию, в качестве навигационного прибора пользуясь только кристаллом минерала кордиерита, поляризующего свет.

Уже говорилось, что многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Что придает глазу насекомых такую способность? Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул. Фигуру Гайдингера можно видеть потому, что часть нашей сетчатки покрыта тонкими, идущими параллельно волокнами, которые частично поляризуют свет.

Любопытные поляризационные эффекты наблюдаются и при редких небесных оптических явлениях, таких, как радуга и гало. То, что свет радуги сильно поляризован, обнаружили в 1811 году. Вращая поляроидный фильтр, можно сделать радугу почти невидимой. Поляризован и свет гало – светящихся кругов или дуг, появляющихся иногда вокруг Солнца и Луны. В образовании и радуги и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса, как мы уже знаем, приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния.

Наконец, следует отметить, что поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Свет, испускаемый ею, – это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.

Вернувшись на Землю, отметим, что некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо. Металлический отблеск спинки такого жука при рассмотрении через специальный фильтр, выявляющий круговую поляризацию, оказывается левозакрученным. Все эти жуки относятся к семейству скарабеев, В чем биологический смысл описанного явления, пока неизвестно.

Литература:

1. Брэгг У. Мир света. Мир звука. М.: Наука, 1967.
2. Вавилов С.И. Глаз и Солнце. М.: Наука, 1981.
3. Венер Р. Навигация по поляризованному свету у насекомых. Журн. «Сайентифик америкен», июль 1976 г.
4. Жевандров И.Д. Анизотропия и оптика. М.: Наука, 1974.
5. Кеннен Г.П. Невидимый свет. Поляризация в природе. Журн. «Натуур эн техниек». №5. 1983.
6. Миннарт М. Свет и цвет в природе. М.: Физматгиз, 1958.
7. Фриш К. Из жизни пчел. М.: Мир, 1980.

Наука и жизнь. 1984. №4.

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

вые колебания, которые совершаются только в одной определенной плоскости;

направление колебаний задается поляризатором. Минерал изучается в проходящем поляризованном свете, который внешне ничем не отличается от обычного света, т. е. мы без дополнительных устройств не в состоянии определить, с каким светом имеем дело– простым или поляризованным. Для того, чтобы воспользоваться всеми преимуществами поляризованного света, необходимо использовать еще один поляризатор, который называется анализатором. Он расположен в верхней части тубуса, непосредственно перед окулярами. Анализатор можно убирать, и тогда мы рассматриваем минерал на просвет так же, как и в обычном свете. Когда же анализатор включен(николи скрещены), то наблюдаются специфические картины, зависящие от структуры минерала и его оптических свойств.

Для возможности использования поляризованного микроскопа необходимы специальные знания по кристаллооптике, т. к., используя такой микроскоп, исследователь по оптическим свойствам и явлениям, наблюдаемым только в такой микроскоп, может многое сказать о структуре минерала. Не вдаваясь в теоретические знания по кристаллооптике, мы рассмотрим некоторые практические следствия, которые можно наблюдать при работе с поляризационным микроскопом.

О ПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОВ

Наиболее важными оптическими свойствами для идентификации минералов является оптический класс и показатель преломления.

При оптическом методе исследования применяют поляризационный микроскоп. Надо приготовить препарат из исследуемых зерен. Исследуемые зерна должны быть небольшими (при необходимости большие зерна раздавливают) – размер 0,1–0,2 мм. Они должны находится (быть погружены) в капле жидкости на предметном стекле, покрытой покровным стеклом. Иногда минералы исследуются в шлифах (тонких пластинках толщиной 0,03 мм). Пластинки наклеивают на предметное стекло специальным изотропным веществом, смолой, – канадским бальзамом и накрывают покровным стеклом. Но это больше касается изучения минералов совместно с горными породами.

Первая задача при определении минерала заключается в выяснении, к какому минеральному виду он принадлежит: является ли он корундом, цирконом, оливином или полевым шпатом. Первое предположение о природе минерала нередко можно сделать на основании его цвета, блеска и общего вида, но быть уверенным в правильности определения можно только в результате измерения той или иной его оптической или физической константы.

Прежде чем определять оптические свойства минерала, под микроскопом наблюдают его физические свойства, связанные со структурой и симметрией– это форма зерен или их обломков, спайность, трещиноватость, включения. Наличие или отсутствие спайности выявляется обычно при дроблении минерала на мелкие осколки; так минерал с хорошей спайностью образует осколки пре-

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

имущественно с прямыми ребрами (например, амфиболы, пироксены, полевые

шпаты и тригональные карбонаты). В некоторых случаях под микроскопом можно определить направления или углы спайности.

Изучение прозрачности

Минералы бывают прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные. Минералы, слагающие горные породы (силикаты, алюмосиликаты, реже карбонаты и фосфаты) являются прозрачными – это оливин, пироксен, амфибол, кварц, полевые шпаты, кальцит, апатит и др. Полупрозрачными называются минералы, просвечивающие в тонких сколах, например, хромшпинелиды или гематит. Непрозрачными называются минералы, не просвечивающие даже в тонких сколах, например, пирит, халькопирит, магнетит, ильменит и др.

Изучение формы зерен

Для многих минералов форма зерен и наличие спайности являются легко наблюдаемыми диагностическими признаками, поэтому с их изучения и надо начинать определение минерала. Анизотропные минералы в зависимости от типа кристаллической решетки могут иметь т а б л и т ч а т ы,е п р и з м а т и ч е - с к и е, п л а с т и н ч а т ы е, л и с т о в а т ы е, ч е ш у й ч а т ы е, и г о л ь ч а т ы е и другие формы

Исследование включений

Включения и их характер дают представление об условиях кристаллизации несущего их минерала, от которого они отличаются размерами, формой, рельефом и цветом. Включения могут быть представлены округлыми пузырьками, тонкими игольчатыми кристалликами и неправильными образованиями(при замещении). Пузырьки заполнены газом, жидкостью, иногда тем и другим вместе и даже с участием твердой фазы– мельчайших кристалликов каких-либо минералов. Точная диагностика включений требует специальной методики. Поэтому при изучении под микроскопом ограничиваются описанием их формы и размеров, ориентировки по отношению к граням или спайности, количества, равномерности распределения в минерале и определением в первом приближении.

Определение оптического класса

Анизотропные вещества легко отличить от изотропных, если наблюдать препарат с исследуемыми зернами под поляризационным микроскопом с вв - е денным анализатором .

1. Жидкость и зерна изотропного вещества будут казаться темными и останутся такими при любом повороте столика микроскопа.

2. На большей части зерен анизотропного вещества будут наблюдаться цвета интерференции, а зерна будут становиться темными(погасать) четыре раза с интервалом в 90º при полном повороте столика микроскопа.

3. Чтобы определить, является ли анизотропный минерал одноосным (минералом средних сингоний) или двуосным (минералом низших сингоний) ис-

					F Tran
					A BB YY

F Tran

A B BYY

пользуют наблюдение в сходящемся свете. Для этого применяют линзу Бертра-

на, делающей свет сходящимся. Перед определением осности среди массы зерен находят наиболее тусклое серое зерно, даже когда оно находится на45º от положения максимального погасания. При включении линзы Бертрана получают одну из характерных фигур интерференции(черный крест для одноосных минералов или одну, не уходящую при вращении столика микроскопа, ветвь гиперболы для двуосных минералов). Тут же можно определитьоптический знак минерала (положительный или отрицательный), если воспользоваться дополнительными приспособлениями – кварцевой пластинкой или кварцевым клином.

Определение показателя преломления

Отклонение направления светового луча при вхождении в другую среду называется светопреломлением . Показатель преломления может быть определен как скорость света в воздухе, деленная на скорость света в среде. Скорость света в воздухе равно300 000 км/сек. С такой же огромной скоростью идет к нам свет от Солнца и звезд. В кварце (горный хрусталь, аметист) скорость света снижается до 194 000 км/сек, а в алмазе до 124 000 км/сек. Таким образом алмаз имеет показатель преломления 300 000: 124 000 = 2,42, т. е. самый высокий по сравнению с показателями преломления всех драгоценных камней, используемых в ювелирном деле, что обусловливает сверкающий алмазный блеск камня.

Измерение величин показателя преломления является важным методом определения минералов. Для каждого минерала характерен определенный показатель или показатели преломления.

Для изотропных минералов характерен только один показатель преломления, а для анизотропных – два или три крайних значения. Свет, проходя через изотропное вещество (например, воду, стекло или изотропный минерала – гранат, шпинель, флюорит) распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям – показатель преломления таких веществ только один.

Также вы помните, что луч света, проходя через кальцит (или другие анизотропные вещества) распадается на два луча, колебания которых взаимно перпендикулярны. Один из лучей называют обыкновенным, а другой необыкновенным. Один из лучей будет иметь максимальный показатель преломления для данного минерала, а второй, перпендикулярный первому, – минимальный. Для минералов низших сингоний существует еще и третий показатель преломления n m , промежуточный. Чем больше разница между значениями минимального и максимального показателей преломления, тем больше у минерала двупреломление. Двупреломление в отличие от показателя преломления определить под микроскопом гораздо сложнее, т. к. этот параметр зависит от толщины зерна. Двупреломление определяют в шлифах и на рефрактометре.

Перед тем как производить точные измерения показателя преломления необходимо найти ориентированное сечение минерала(обычно он должен лежать на стекле параллельно оси симметрии), в котором можно точно определить два показателя преломления – один вдоль оси, а второй – перпендикуляр-

F Tran

P

A B BY Y

но ей. Хотя часто бывает достаточно определить, в общем, величину показателя преломления, чтобы оценить ее как высокую, среднюю или низкую.

Показатель преломления ювелирных камней (особенно в оправе) определяют при помощи рефрактометра. Незакрепленные ювелирные камни (особенно, если у них нет ровных граней) определяют при помощи иммерсионных жидкостей. При использовании этого метода зерно погружают в каплю жидкости с известным показателем преломления и накрывают покровным стеклом. Наблюдения поверхности минерала и его контактов с жидкостью покажут -на сколько показатели преломления этих двух компонентов(минерала и жидкости) различаются между собой. Чем меньше разница в показателях преломления, тем тоньше границы зерна и тем более гладкая будет его поверхность. Сведения о том, больше или меньше показатель преломления минерала по отношению к жидкости, даст оптический эффект, который называется полоска Бекке. Это световая полоска на контакте минерала и жидкости, возникает из-за разницы показателей преломления двух сред.

По направлению движения полоски Бекке можно судить о том больше или меньше показатель преломления минерала, чем показатель преломления жидкости. Для этого надо притенить изображение, немного прикрыв диафрагму, сделать большое увеличение и осторожно опускать или поднимать столик микроскопа. Если полоска Бекке при опускании столика будет двигаться на минерал, то его показатель преломления выше, чем у жидкости, если от минерала, то наоборот.

Изучение окраски минерала и плеохроизма

Это важное свойство, которым обладают окрашенные минералы. Подавляющее большинство минералов, обладающих плеохроизмом, макроскопически его не проявляют, т. к. для этого нужны специальные условия наблюдения (на просвет), а многие, прекрасно плеохроирующие минералы из-за своего темного цвета в больших зернах, не просвечивают (например, биотит и роговая обманка). Для наблюдения плеохроизма достаточно вращать столик микроскопа и наблюдать изменение цвета минерала (без анализатора).

Несмотря на то, что минерал может быть окрашен в разных породах -по разному, у него есть какой-то чаще других встречающийся цвет, который является основным. Окраска минерала, обусловленная его внутренними свойствами, называется идиохроматической, а зависящая от примесей – аллохроматической. При прохождении через любое вещество интенсивность света всегда уменьшается, т. к. свет частично поглощается этим веществом. Если все длины волн белого света поглощаются (а б с о р б и р у ю т) равномерно, то вещество будет казаться бесцветным. Если какие-то длины волн поглощаются более интенсивно,

то вещество будет казаться окрашенным. Оптически изотропные вещества обладают равномерной абсорбцией, поэтому при вращении столика микроскопа их окраска не будет изменяться. Однако чаще всего мы имеем дело с оптически анизотропными средами, обладающими избирательной абсорбцией. Такая и з-

* Окраска является результатом суммы всех длин волн света, прошедших через данное вещество;

Регулировка освещения и гашение бликов. Одно из распространенных применений поляризованного света - регулировка интенсивности освещения. Пара поляризаторов позволяет плавно изменять интенсивность освещения в огромных пределах - до 100 000 раз.

Поляризованный свет часто используется для гашения света, зеркально отраженного от гладких диэлектрических поверхностей. На этом принципе устроены, например, поляроидные солнечные очки. Когда естественный неполяризованный свет падает на поверхность водоема, часть его зеркально отражается и при этом поляризуется. Этот отраженный свет мешает видеть предметы, расположенные под водой. Если смотреть на воду через соответствующим образом ориентированный поляризатор, то большая часть зеркально отраженного света будет поглощаться и видимость подводных объектов значительно улучшится. При наблюдении через такие очки «шум» - свет, отраженный от поверхности, - уменьшается в 5-20 раз, а «сигнал» - свет от подводных объектов - уменьшается всего в 2-4 раза. Таким образом, отношение сигнала к «шуму» значительно возрастает.

Поляризационная микроскопия. В ряде исследований широко применяется поляризационная микроскопия. Поляризационный микроскоп снабжен двумя поляризационными призмами или двумя поляроидами. Один из них - поляризатор - расположен перед конденсором, а второй - анализатор - за объективом. В последние годы в поляризационные микроскопы вводят специальные поляризационные компенсаторы, значительно повышающие чувствительность и контраст. С помощью микроскопов с компенсаторами были обнаружены и сфотографированы такие мелкие и неконтрастные объекты, как внутриклеточные двоякопреломляющие структуры и детали строения ядер клетки, которые невозможно обнаружить другим способом.

Усиление контраста. Поляризационные фильтры часто используют для повышения контраста прозрачных и малоконтрастных элементов. Так, например, их применяют при фотосъемке облачного неба с целью усиления контраста между облаками и чистым небом. Свет, рассеянный облаками, почти совсем неполяризован, свет же ясного голубого неба поляризован значительно. Применение поляризационных фильтров является самым эффективным средством усиления контраста.

Кристаллографические исследования и фотоупругий анализ. В кристаллографии поляризационные исследования проводят особенно часто. Многие кристаллы и ориентированные полимерные материалы обладают значительным двойным лучепреломлением и дихроизмом. Изучая эти характеристики и определяя направление соответствующих осей, можно проводить идентификацию материалов, а также получать данные о химической структуре новых веществ.

Особое значение в технике имеет фотоупругий анализ . Это метод, позволяющий по сдвигу фаз судить о механических напряжениях. Для проведения фотоупругого анализа исследуемую деталь изготовляют из прозрачного материала с высоким коэффициентом фотоупругости. Основная часть установки для фотоанализа - полярископ, состоящий из осветительной системы, поляризатора, анализатора и окуляра. Если плоскую стеклянную полосу подвергнуть растяжению, то стекло окажется несколько деформированным, в нем возникнут механические напряжения. Вследствие этого оно станет двоякопреломляющим и будет сдвигать фазу световой волны. Измеряя сдвиг фазы, можно определить величину напряжения.

Метод фотоупругого анализа может быть применен и в офтальмологии, так как в оболочках глаза обнаружены фотоупругие явления.