材料研究方法--晶体光学基础

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光学显微分析自古以来，人们对微观世界充满了敬畏和好奇心，光学显微分析技术是人们打开微观物质世界之门的第一把钥匙。人类用光学显微镜步入微观世界，经历了500多年的发展历程。 光学显微分析显微结构是指构成材料的晶相形貌、大小、分布以及它们之间的相互关系。利用光学显微分析技术进行物相分析就是研究材料和其原料的物相组成及显微结构，并以此来研究形成这些物相结构的工艺条件和产品性能之间的关系。 光学显微分析光学显微分析是材料显微结构分析的一种重要手段，较其它手段更直观、形象。光学显微分析是利用可见光观察物体表面性貌和内部结构，鉴定晶体的光学性质。透明晶体可用透射式显微镜（偏光）不透明物体使用反射式显微镜（金相、矿相）。 1晶体光学基础1.1光的物理性质光是一种电磁波。λ=3900～7700Å。“白光”实质上是混合光。λ=5000Å。光具有波粒二象性光的波动形式是一种正弦曲线运动光波具有两种性质的方向，光波是横波。振幅决定光的强度I=kA2 光波的相关概念光波面：光自光源出发，在某一介质内传播，在某一瞬间光波所达到的连续表面。（光线速度面）波前：在光波面上任意一点作一平面与光波面相切，该平面就是向该方向进行的光波的波前。波法线：波前的垂线。不能将其与光线混淆。光线的方向是光能的传播方向；波法线方向是波的位相传播方向，波动进行方向。 自然光与偏振光自然光（naturallight）：一切从实际光源发出的原始普通光。光波在垂直于传播方向的任意方向上振动，且迅速地变换着自己的振动方向。偏振光(polarizedlight)：自然光经反射、折射、吸收等作用或人为，使其保留某一固定方向的光振动。光波只在某一固定方向上振动。 自然光与偏振光振动面：偏振光的振动方向与传播方向构成的平面。偏振光也称平面偏光，偏光。偏光面：平行于传播方向而与振动面垂直的面。 1.2光与固体物质的相互作用一束光射到固体物质的表面，会产生光的折射、反射和吸收的现象，其性能与光的性能、入射方法及固体物质性质有关。光从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，传播方向要发生改变，产生反射或折射。对于透明矿物的研究主要应用折射光，对于不透明矿物的研究主要应用反射光。 光的折射(refraction)折射介质对入射介质的相对折射率N。把真空作为入射介质，任何介质对真空的折射率称为绝对折射率，简称折射率。光线在介质中的传播速度与介质的折射率成反比。N值的大小反映介质对光波折射的本领。折射率色散：同一介质的N因光波的波长而异。对于同一介质，波长与N成反比。 光的反射(reflection)物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射能力称为反射力。（晶体的结晶面或抛光面对光线的反射能力，在显微镜下的直观表现是明亮程度。）表示反射力大小的数值称反射率。（反射力的数值表示，衡量反射力的指数。） 体色与表色物质表面对白光中各色光等量反射，物质根据反射率的大小呈现为白色或灰色。物质对各色光选择性反射，呈现反射色。（物质表面对不同波长的色光反射力不同，选择性反射的结果——表色。）反射色是鉴定不透明物质的重要特征。光射到物质表面，部分被折射透入内部，遇到不同介质的分界面时，光被反射出来，称为内反射作用，产生内反射色。（体色） 光的吸收光的吸收主要是光的波动能转换为热能等其它形式的结果。光射入吸收物质后，其振幅随透入深度的增加而减小。颜色：物质对白光各色光选择吸收的结果。表色：物质对白光各色光选择反射的结果。体色：物质内部反射作用（干涉）形成的。 1.3光在晶体中的传播根据晶体的光学性质及光在晶体中的传播特点，把透明物质分为均质体和非均质体两大类。冰洲石（CaCO3）实验说明不同晶体产生的光学现象不同。画有黑点的纸分别放在玻璃和冰洲石下，垂直往下看：玻璃：1个点；转动玻璃，点的位置不动。冰洲石：2点（点的距离与冰洲石厚度有关）；转动冰洲石，1点不动，1点随之转动。 光性均质体等轴晶系的晶体和非晶体的光学性质在各方向相同，称为光性均质体，简称均质体。光波在均质体中传播时：①传播速度不因振动方向而发生变化。②折射率值只有一个。③光波射入均质体中，其固有性质不变。 光性非均质体中级晶族和低级晶族的晶体光学性质随方向而异，称为光性非均质体。①传播速度随振动方向不同而改变。②折射率不止一个。③除特殊方向外，均发生双折射。④存在不发生双折射的特殊方向——光轴。一轴晶：中级晶族二轴晶：低级晶族 常光与非常光光线由均质体射入非均质体，一条光线分解成传播速度不等，振动方向互相垂直的各自传播的两条平面偏光，这种现象称为光线的双折射。一条偏光的振动方向永远与高次轴⊥，光速不因入射方向的改变而变化，各方向N相等。称为常光o，其N为No，ordinary一条偏光的振动方向保持在入射线与高次轴所成的平面内，光速随入射方向不同而变化，称非常光e，其N为Ne，extraordinary 1.4光率体晶体的光学性质比较复杂，大多随测试方向的不同而变化。人们在实验的基础上引用一些具有不同物理意义的辅助曲面，帮助说明这些现象及其变化规律。光率体就是在晶体光学性质的研究中经常用到的一种空间曲面图形。 光率体光率体是将折射率值在光波的振动方向上以一定长度的线段表示出来的一种光性指示体。围绕晶体中心的一点在光波的振动方向上以N值的大小为向量半径所作的封闭几何曲面。 光率体光率体是从不同介质中实测而得出的抽象几何图形，反映了晶体光学性质中最本质的特征——光波振动方向与N之间的关系。光率体可分为三大类：均质体光率体、一轴晶光率体、二轴晶光率体。 均质体光率体非晶质体和等轴晶系的晶体属于均质体均质体的光率体是一个以相应折射率为半径的圆球体。不论波法线从哪入射，垂直波法线入射方向并通过光率体中心所作的截面均为圆形，半径代表折射率值，半径的各个方向即表示光波的振动方向。N不随入射光波法线的变化而变化。 一轴晶光率体一轴晶是属于中级晶族各晶系的晶体，宏观对称的共同特点是只有一根高次轴。水平结晶轴单位相等，水平方向上光学性质相同。光线沿高次轴方向和垂直于高次轴的方向入射，所显示的光学性质不同。o光与e光⊥振动，o光⊥光轴振动，e光在入射光与光轴组成的平面内振动 一轴晶光率体（石英、方解石） 一轴晶光率体形态：旋转椭球体（二轴椭球体）二个主要方向截面——椭圆、圆二个折射率值：Ne、No主切面：包含两个主折射率的切面光轴：非均质体中的均质方向光学主轴：代表主要光学振动方向Ne一轴晶：有一根光轴的晶体 一轴晶光率体光性：Ng、Np代表晶体最大、最小N值。Ng=Ne晶体为正光性（+）Ne>NoNp=Ne晶体为负光性（-）Ne