3.2. Оптические явления, наблюдаемые в отраженном поляризованном свете, и их использование для диагностики минералов

Оптические свойства минеральных веществ определяются характером взаимодействия световых волн с электронами атомов, составляю-щих минералы. Механизмы такого взаимодействия объясняют зонная теория кристаллов, теория кристаллического поля и теория молекуляр-ных орбиталей. Основным механизмом, который управляет и является ответственным за наблюдаемые в диапазоне длин волн видимого спектра явления отражения и поглощения световых потоков, являются межзонные переходы, которые рассматривает зонная теория кристаллов*.

_____________________

* см. Займан Дж. Принципы теории твёрдого тела. Пер.с англ. – М., 1974. Берсукер И.Б. Электронное строение и свойства координационных соединений. – Л., 1986.

В основу этой теории положены представления о взаимодействии энергетических уровней электронов, которое происходит в процессе формирования кристаллов. Полосы взаимодействующих энергетических уровней объединяются в зоны. Между зонами движения электронов ограничены. В строении кристаллов дискретные энергетические уровни образуются в результате перекрытия атомных орбиталей.

Близкорасположенные дискретные зоны с определёнными значениями энергии контролируются кристаллическим полем решетки и обусловлены взаимным электростатическим взаимодействием электронов. В области длин волн, равных половине расстояний между атомами, составляющими минеральное вещество, возникают запрещенные зоны. Между заполненными и незаполненными электронами зонами возникает некоторое состояние энергии – уровень Ферми, который определяет возможность возбуждения электронов. Положение уровня Ферми относительно энергетических зон позволяет дифференцировать различные типы минеральных веществ. Но если ширина запрещенной зоны большая (больше 4 эВ), то электроны не возбуждаются под воздействием электромагнитных волн и свет почти не поглощается. Большую ширину запрещенной зоны имеют прозрачные кристаллы.

Электроны возбуждаются при ширине запрещенной зоны менее

3 эВ и могут перемещаться и переходить на более высокие энергетические уровни. Возбуждение электронов сопровождается поглощением световой волны. Если минерал непрозрачный, то он имеет высокий показатель поглощения, он же будет иметь и высокую отражательную способность, что обусловлено возбуждением и перемещением электронов.

Ширина запрещенной зоны не является неизменной характеристи­кой минерального вещества, поскольку минералы в процессе своей жизни подвергаются различным изменениям. Ширина запрещенной зо­ны уменьшается при появлении в минерале металлических примесей, а если мельчайшие включения обладают диэлектрическими свойствами, то ширина запрещенной зоны увеличивается.

Увеличение ширины запрещенной зоны происходит также при гидратации минералов. Непрозрачность минералов начинает проявляться при ширине запрещенной зоны меньше 1,8 эВ. При ширине запрещенной зоны 0,3–1 эВ минералы непрозрачны и имеют металлический блеск.

Фундаментальные законы оптики отражены в уравнениях Максвелла для электромагнитных волн, воздействующих на кристаллические поля. Из этих уравнений следует, что явления отражения и преломления световых волн и поляризации излучения зависят от показателей преломления исследуемой и прилегающих сред.

Световые лучи, переходя из одной среды в другую, изменяют скорость если световые лучи падают наклонно на поверхность раздела двуx сред, то происходит также изменение направления лучей света. Изменение направления и скорости световых лучей при переходе из одной еды в другую называется преломлением света. Отношение скорости света в воздухе к скорости света в данной среде, где распространяется свет называется показателем преломления данной среды. Скорость света в изотропных кристаллах постоянна и не зависит от направления лучей. Световые лучи разных направлений в изотропных кристаллах движутся с одинаковой скоростью. Эта скорость прямо зависит от длины волны и частоты их колебаний. В анизотропной среде световые лучи претерпе­вают двойное лучепреломление, то есть распадаются на два луча, кото­рые проходят через анизотропные кристаллы разными путями и с разными скоростями. В поглощающей среде интенсивность света уменьшается. Показатель преломления (N) световых лучей определяется по формуле:

N = n + iχ,

где n – относительный показатель преломления света (в кристалличе-ском веществе по отношению к воздуху);

i – комплексное число, которое равно ; (n находится в прямой зависимости от длины волны света);

χ – показатель поглощения (абсорбции) света исследуемой среды (в поглощающей среде интенсивность света уменьшается).

Оптические константы n и χ связаны с показателем отражения R

уравнением Бера:

R = [(n − n₀)² + n² χ²] : [(n + n₀)² + n²χ²], при этом R < 1.

В этом уравнении n₀ – показатель преломления иммерсионной среды, в которой производятся наблюдения (для воздуха n₀ = 1).

Уравнение Бера показывает, что минералы с высоким показателем отражения должны иметь и высокие показатели преломления и поглощения, а применение иммерсионных жидкостей ведёт к понижению по­казателя отражения.

Анизотропные минералы отличаются от изотропных тем, что в разных сечениях имеют разные показатели отражения. Показатель преломления и показатель поглощения (абсорбции) изменяют свои значения при изменении длины волны падающего света. Это приводит к дисперсии значений указанных физических величин. Если показатель отражения убывает с увеличением длины волны – это нормальная дисперсия и такой тип дисперсии наблюдается у слабо абсорбирующих минералов или вообще лишенных абсорбции (к числу таких минералов принадлежит, например, сфалерит). Если показатель отражения возрастает одновременно с возрастанием длины волны, то это аномальная дисперсия (такой тип дисперсии наблюдается у минералов, которые имеют высокий показатель абсорбции, и у самородных металлов). У минералов прозрачных и бесцветных на просвет абсорбция отсутствует а дисперсия показателя отражения практически не заметна для глаза.

Оптические константы связаны с различными типами взаимодействия электромагнитного излучения с электронами, участвующими в строении атомов, в соответствие с уравнением Мотта-Джонса, из этого уравнения следует, что показатель преломления (n) и коэффициент поглощения (k), составляющие величину (n² – k²) находится в прямой зависимости от количества свободных электронов, участвующих в строении атомов и молекул минерального вещества.

Для кристаллов с ионной химической связью наблюдается погло­щение электромагнитного излучения за счёт колебаний атомов кристал­лической решетки, при этом возникает электрический дипольный мо­мент, который взаимодействует с полем падающей электромагнитной волны. Структура спектра практически не зависит от содержащихся в минерале примесей. У большинства минералов край области погло­щения находится в видимой или близкой к ней инфракрасной области оптического спектра. Край собственного поглощения соответствует ши­рине запрещенной зоны.

В 1937 году М. Берек охарактеризовал взаимосвязь параметров анизотропии минералов с их оптическими константами (показателем преломления и показателем поглощения).

На величину показателя отражения (R) влияют показатель преломления и показатель поглощения минералов. Указанные величины подвержены дисперсии (т. е. изменяют численное значение) в зависимости от длины падающего света, а это приводит к дисперсии величин R.

У минералов, которые слабо поглощают свет или вообще лишены абсорбции (например, стеклянно-прозрачных минералов), наблюдается убывание R с увеличением длины волны (λ). Эта закономерность назы­вается нормальной дисперсией и характерна для полупрозрачных и про­зрачных минералов.

Металлические сплавы и минералы с высоким показателем R непрозрачные. Эти минералы характеризуются аномальной дисперсией величины R, которая закономерно возрастает с увеличением длины вол­ны падающего света. В отраженном свете минералы с высоким показа­телем R имеют характерный цвет и цветной оттенок полированной поверхности: розоватый, желтоватый, жёлтый, белый. Следует иметь в виду, что восприятие цветного оттенка минералов зависит от цвета окружающих минералов, при этом за счёт цветовых контрастов могут возни­кать оптические иллюзии.

У полупрозрачных минералов дисперсия отражательной способности начинает обнаруживаться появлением внутренних рефлексов – ярких цветных бликов, наблюдаемых при косом освещении и в скрещенных николях. Обладающие внутренними рефлексами полупрозрачные минералы имеют в отраженном свете слабые или заметные цветные оттенки; по своему тону цвета этих оттенков противоположны (по спектру цвета) цвету внутренних рефлексов. Например, ярко-красные на просвет киноварь, минералы красной серебряной руды (прустит, пираргирит, миаргирит), куприт – в отраженном свете голубоватые, а блеклые руды, бурнонит, сульфоантимониды свинца, имеющие густые красные внутренние рефлексы, – в отраженном свете зеленоватые, синеватые, сероватые. С физической точки зрения цвет внутренних рефлексов характеризует ту область спектра, при котором прозрачность минералов резко падает, а значения показателя отражения, соответственно, сильно возрастают.

Явление эффекта анизотропии становится более отчетливым при слабом выведении поляризатора или анализатора из строго скрещенного положения, кроме того, не вполне скрещенными николями пользуются для наблюдения слабого эффекта анизотропии. Цветной эффект анизо­тропии можно количественно оценить с помощью микроспектрофото­метров двухлучевого типа. Но некоторые минералы кубической синго-нии и в строго скрещенных николях полностью не затемняются, а остаются просветлёнными. К числу минералов, которые остаются про­светлёнными при строго скрещенных николях относятся алтаит, герс-дорфит, самородное золото, самородное серебро, самородная платина, сперрилит, шмальтин, скуттерудит. Просветлённым в строго скрещен­ных николях может оставаться и пирит.

Полного угасания может не быть и у изотропных минералов; оно не происходит вследствие появления эллиптически-поляризованного света, который возникает при исследовании сильно абсорбирующих непрозрачных минералов.

Изучение изменения состояния поляризации света при его наклонном падении на поглощающую поверхность минералов позволяет получить дополнительные диагностические свойства для минералов.

Эллиптические колебания возникают при наклонном падении света на поглощающую поверхность и являются результатом сложения двух линейных колебаний, которые различаются между собой по фазе и имеют взаимно перпендикулярные плоскости колебаний; p-компонента является магнитным вектором светового луча, а s-компонента – электрическим вектором (s-компонента обуславливает оптические явления). Между этими компонентами возникает разность фаз, величина которой будет зависеть от свойств минерала и от угла падения лучей. Величина каждой компоненты изменяется с изменением угла падения света. Если лучи эллиптически поляризованы, то при вращении анализатора свет вообще гаситься анализатором не будет, а если компенсировать раз­ность фаз при помощи компенсатора, то эллиптическое колебание пре­вратится в линейное (и может погашаться анализатором), при этом плоскость поляризации отраженного луча будет повёрнута на некото­рый угол по отношению к плоскости падения лучей. Этот угол принято называть азимутом восстановленной линейной поляризации; величина угла зависит от светопоглощения и электропроводимости минералов (чем больше этот угол, тем больше светопоглощение и электропрово­димость минералов).

Эллипсометрические исследования анизотропных минералов про­водятся в сходящемся (коноскопическом) отраженном свете. Сходя­щийся отраженный свет в рудном микроскопе можно получить с помо­щью высокоапертурных объективов больших увеличений (40^х и более). Свет коноскопируется объективом благодаря сильному преломлению проходящих через него лучей. При наблюдении минералов с включен­ной линзой Бертрана (или без окуляра) в поле зрения возникают поля­ризационные коноскопические фигуры.

Поляризационные фигуры, которые появляются при эллиптически поляризованном свете, можно наблюдать, если применить сходящийся свет и затем вращать анализатор.

Впервые поляризационные фигуры (рис. 11), возникающие при отражении сходящегося поляризованного света, были описаны Г.Дж. Нейбургом в 1947 году, но он не объяснил физической сущности наблюдаемых оптических явлений. Теоретические основы метода коноскопии и физическое истолкование наблюдаемых оптических явлений разработаны Ю.Н. Кэмероном и его сотрудниками в США (материалы опубликованы в работе Ю.Н. Кэмерона «Рудная микроскопия» в Нью-Йорке и Лондоне в 1961, в Москве в 1966 году).

В пучке сходящегося света, по выходе его лучей из сильного объектива, лучи характеризуются несколькими азимутами колебания и отражаются с различными амплитудами, при этом возникает некомпенси-

Поляризационная фигура изотропного минерала, стрелками показаны азимуты колебаний падающих и отраженных плоскополяризованных лучей. Поляризатор PР/ и анализатор АА/ точно скрещены.

Изогиры, возникающие у изотропных минералов при вращении анализатора.

Цветные каймы поляризационных фигур в сходящемся отраженном свете при вращении

анализатора (поляризатор РР^/, анализатор АА^/).

Рис. 11. Поляризационные фигуры в сходящемся отраженном

монохроматическом свете (по Ю.Н. Кэмерону, 1966)

рованное вращение пучка отраженного света (Ю.Н. Кэмерон назвал такое явление «вращением отражения»), величина которого зависит от ориентировки падающего луча и возрастает с углом падения. Поляризационные фигуры появляются, поскольку происходит расхождение плоскости колебания и плоскости падения лучей (при вращении плоскости поляризации компоненты колебания, параллельные и перпендикулярные плоскости падения, отражаются с различными амплитудами колебаний).