礦物學
L06 光性礦物學(一)L06 光性礦物學(一)
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這講在回答:為什麼偏光顯微鏡是鑑定礦物最好的工具?光通過礦物時發生什麼事?偏光顯微鏡的構造是什麼、怎麼用?只放下偏光鏡(開放偏光)時,可以看到礦物的哪些特徵、怎麼判讀?
考前 30 秒
- 光是橫波:振動方向垂直前進方向。進入礦物會變慢、折射(Snell:n₁ sin i = n₂ sin r);不同礦物的折射率不同,可以用來鑑定。
- 下偏光鏡(起偏器)只讓南北向振動的光通過;上偏光鏡(檢偏器)只讓東西向通過。兩片都用 = 正交偏光,什麼都不放時全黑。
- 開放偏光看五件事:晶形(自形/半自形/他形)、顏色、解理(無/1 組/2 組)、浮影(高/中/低)、多色性(有/無)。
- 浮影來自礦物和周圍(環氧樹脂 n ≈ 1.537)的折射率差;鐵鎂礦物(橄欖石、輝石、角閃石、黑雲母)浮影中到高,長英質礦物(斜長石、正長石、石英、白雲母、方解石)浮影低。
- 貝克線:提升鏡筒,亮線往折射率高的一側移動。
- 多色性:旋轉載物台顏色改變(黑雲母、角閃石、電氣石、綠泥石);等軸晶系和玻璃沒有。
先認識的名詞
| 名詞 | English | 一句話 |
|---|---|---|
| 折射率 n | refractive index | 光在真空中的速度 ÷ 在礦物中的速度;越大光越慢 |
| 色散 | dispersion | 不同波長的光折射率不同,白光被分成光譜 |
| 未偏振光/偏振光 | unpolarized / polarized light | 在垂直前進方向的平面上各方向都在振動/只在一個平面振動 |
| 開放偏光(單偏光) | open nicol; plane-polarized light (PPL) | 只用下偏光鏡 |
| 正交偏光 | crossed nicols; cross-polarized light (XPL) | 上、下偏光鏡都用,振動方向互相垂直 |
| 浮影 | relief | 礦物和周圍物質因折射率差而顯出的邊緣對比 |
| 貝克線 | Becke line | 顆粒邊緣的亮線,對焦改變時會移動 |
| 閃突起 | twinkling (change of relief on rotation) | 旋轉載物台時浮影明顯改變(白雲母、方解石) |
| 多色性 | pleochroism | 不同方向吸收不同波長的光,旋轉時顏色改變 |
| 吸光性 | absorption | 不同方向吸收相近波長但強弱不同,旋轉時深淺改變 |
| 等向性/非等向性 | isotropic / anisotropic | 各方向光學性質相同(等軸晶系、玻璃)/不同(其他晶系) |
這一講的邏輯地圖
★ = 考試重點。
1. 光的性質
為什麼用偏光顯微鏡?1850 年代 Sorby 開始用偏光顯微鏡看岩石薄片,到今天仍是鑑定礦物和岩石組織最有用的方法:不同礦物的光學性質不同,可以在岩石中認出它們;再依礦物的種類和含量把岩石分類。樣本要先做成薄片(L02)或把顆粒用膠埋起來。
光是電磁波,速度約 30 萬 km/s,可見光只是連續光譜的一小部分。光是橫波:電場的振動方向垂直於前進方向。
反射和折射:反射角 = 入射角,且在同一平面上。光穿過礦物時速度變慢(波長也變短),偏折的程度由折射率決定:
每種礦物讓光變慢的程度不同,這個「遲滯」就是礦物的折射率,可以幫助鑑定。
色散:折射率會隨波長改變,所以不同顏色的光折射角度不同,白光被稜鏡分成光譜。榍石色散很高,所以有七彩霓光(L05)。
偏振:太陽、燈泡、燭光發出的光,在垂直前進方向的平面上各個方向都在振動,叫未偏振光;如果光被限制在一個平面上振動,就是偏振光。把未偏振光變成偏振光的過程叫偏振化。偏光顯微鏡的關鍵就是兩片偏振片。
自我檢測 1
- 為什麼說光是橫波?這和偏振有什麼關係?
- 寫出 Snell 定律。光從 n = 1.54 的樹脂進入 n = 1.70 的礦物,會往法線偏還是離開法線?
- 什麼是色散?
答案:(1) 光的電場振動方向垂直前進方向;正因為振動有方向,才能用偏光片只留下一個振動方向(偏振)。縱波沒有偏振。(2) n₁ sin i = n₂ sin r;進入折射率較大的礦物時速度變慢,往法線偏折。(3) 不同波長的光折射率不同、折射角不同,所以白光被分成光譜。
2. 偏光顯微鏡 ★
課堂的十三個部位:1 目鏡、2 檢偏器(上偏光鏡)、3 附加板插槽、4 物鏡轉盤、5 物鏡、6 旋轉載物台、7 聚光鏡、8 下偏光鏡(可旋轉)、9 垂直調節、10 光圈、11 照明、12 光源控制、13 開關。
光從底座往上,經過下偏光鏡、聚光鏡、載物台上的薄片、物鏡、上偏光鏡,到目鏡。
- 下偏光鏡(起偏器):通常只讓南北向(前後)振動的光通過。
- 上偏光鏡(檢偏器):只讓東西向振動的光通過。兩片都用時稱為「正交」(crossed),載物台上沒東西時全黑,因為南北向的光完全沒有東西向的分量。
先預測:正交偏光下放一片玻璃(非晶質),轉動載物台會看到什麼?(答案:一直全黑。玻璃是等向性的,不會改變光的振動方向。)
使用注意
- 物鏡的軸要和鏡筒、載物台的軸一致(載物台和鏡筒已對準,只需調整物鏡)。
- 搬顯微鏡時一手拿鏡臂、一手托底座,鏡臂貼著肚子,避免震動光學部件。
- 避免陽光直射、高熱、濕氣、腐蝕。
- 換物鏡或換薄片前,先把載物台降下。
- 對焦:先從側面看,把載物台調到接近物鏡,再從目鏡看、往遠離的方向調焦(避免物鏡撞破薄片)。
- 雙眼觀察;只碰可以碰的部位;不用時放回箱子防塵。
顯微鏡的四項調整
- 十字絲就定位:十字絲要和上、下偏光鏡的振動方向平行。
- 校正旋轉中心:讓載物台的旋轉中心和十字絲交點重合,轉動時顆粒不會跑出視野。
- 下偏光鏡就定位:確認上、下偏光鏡互相垂直(正交時全黑)。
- 清潔鏡片。
自我檢測 2
- 上、下偏光鏡各只讓哪個方向的光通過?
- 正交偏光下什麼都不放為什麼是黑的?
- 換物鏡前要先做什麼?為什麼?
- 顯微鏡調整的四個步驟?
答案:(1) 下偏光鏡只讓南北向通過;上偏光鏡只讓東西向通過。(2) 下偏光鏡出來的光只在南北向振動,完全沒有東西向的分量,所以被上偏光鏡全部擋掉。(3) 先把載物台降下,避免物鏡撞到薄片。(4) 十字絲就定位、校正旋轉中心、下偏光鏡就定位、清潔鏡片。
3. 開放偏光:晶形、顏色、解理
開放偏光(只用下偏光鏡)看五件事:外型、顏色、解理、浮影、多色性。
外型:自形(看得到完整晶面)、半自形(部分晶面)、他形(沒有晶面)。觀念和 L04 相同:早結晶、有空間的長成自形;最後填空隙的是他形。
顏色:開放偏光下的顏色是礦物吸收後剩下的光,很直觀。大部分長英質礦物無色;黑雲母綠褐、角閃石綠色。
解理:在薄片中,解理是一組組平行的細線。看有沒有、有幾組:石英沒有解理;黑雲母一組;普通輝石兩組。解理的成因和手標本一樣:結構中鍵結較弱、面間距較大的面(L04)。輝石兩組解理近直角、角閃石 124°/56°,在橫切面上看得最清楚。
自我檢測 3
- 開放偏光下看哪五件事?
- 石英、黑雲母、普通輝石各有幾組解理?
答案:(1) 外型(晶形)、顏色、解理、浮影、多色性。(2) 石英無解理;黑雲母 1 組;普通輝石 2 組。
4. 浮影與貝克線 ★
浮影是礦物和周圍物質因為折射率差異而顯出的邊緣。折射率差越大,邊緣越明顯、顆粒看起來越「浮起來」。礦物折射率比周圍高叫正浮影,比周圍低叫負浮影。
薄片用加拿大膠或環氧樹脂黏貼,折射率約 1.537(投影片也寫 1.54)。
| 浮影 | 礦物 | 折射率 |
|---|---|---|
| 中到高(正) | 鐵鎂礦物:橄欖石、紫蘇輝石、普通輝石、角閃石、黑雲母 | 橄欖石 1.64–1.88 |
| 低(正或負) | 長英質礦物:斜長石、正長石、石英、白雲母、方解石 | 斜長石 1.53–1.57 |
例子:橄欖石和輝石共存時,橄欖石的浮影比輝石高;高折射率的磷灰石(1.65)被低折射率的石英或鹼性長石(1.55)包圍時,磷灰石浮影明顯。
閃突起:白雲母在解理平行東西向時浮影比南北向時強烈,旋轉時浮影會一閃一閃(方解石也很明顯)。原因是這些礦物不同方向的折射率差很大(雙折射大,L08)。
貝克線測試:判斷兩個相鄰物質誰的折射率大。
亮線往顆粒內移動 → 礦物折射率較高(正浮影)
- 提升鏡筒,貝克線往折射率高的介質移動。所以亮線往顆粒裡面跑 → 顆粒折射率較高;往外跑 → 顆粒折射率較低。
- 為了看清楚,要縮小光圈,並把界面移到視野中央。
- 投影片英文寫「when the stage is raised: moves in → Ngrain > Nsurroundings」。注意:提升載物台和提升鏡筒是相反的對焦方向,一般教科書的規則是「拉開物鏡和薄片的距離(提升鏡筒或降下載物台),亮線往高折射率移動」。考試照中文口訣「提升鏡筒,往高折射率移動」,實驗時先用已知礦物(例如石英邊緣接觸樹脂)確認一次。
【例題 ★ 完整解】薄片中一顆無色顆粒和環氧樹脂接觸,提升鏡筒時亮線往樹脂方向移動。這顆礦物可能是石英(n ≈ 1.54–1.55)還是正長石(n ≈ 1.52)?
解:亮線往樹脂移動 → 樹脂的折射率較高 → 顆粒的 n < 1.537。石英比 1.537 稍高(亮線會往石英移動),正長石較低,所以是正長石。
自我檢測 4
- 浮影是什麼造成的?為什麼橄欖石浮影高、斜長石浮影低?
- 貝克線的規則?觀察時光圈要怎麼調?
- 什麼是閃突起?哪些礦物明顯?
答案:(1) 礦物和周圍(樹脂 n ≈ 1.537)的折射率差;橄欖石 n 1.64–1.88 差很多,斜長石 1.53–1.57 和樹脂很接近。(2) 提升鏡筒,貝克線往折射率高的介質移動;要縮小光圈,並把界面移到視野中央。(3) 旋轉載物台時浮影明顯改變(一閃一閃),因為不同方向的折射率差很大;白雲母、方解石明顯。
5. 多色性與吸光性 ★
等向性物質(等軸晶系礦物和玻璃)各方向光學性質相同;非等向性(雙折射性)物質各方向的折射率不同。最大和最小折射率的差叫雙折射率,例如方解石最高 1.66、最低 1.49,雙折射率 0.17(L08 詳述)。
光進入非等向性的有色礦物時,不同振動方向的光被吸收的程度不同:
- 多色性:不同方向吸收不同波長的光 → 旋轉載物台時色調改變(例如綠色變褐色)。紅簾石、電氣石明顯。
- 吸光性:不同方向吸收相近波長但強弱不同 → 旋轉時深淺改變。
典型礦物:黑雲母、角閃石、電氣石、綠泥石;小顆粒的鋯石、綠簾石周圍有時也有。
| 礦物 | 多色性的規則(課堂寫法) |
|---|---|
| 黑雲母 | 要有解理的切面才明顯;解理東西向時顏色最深;沒有解理的切面(垂直 c 軸)幾乎不變色 |
| 角閃石 | 只有一組解理的切面:解理東西向最深(墨綠),南北向最淺(淺黃綠);兩組斜交解理的切面:銳角平分線東西向最深 |
| 紫蘇輝石 | 偶有多色性:解理東西向淺綠,南北向淺粉紅 |
| 斜長石 | 無色,無多色性 |
原理:黑雲母在光的振動方向平行解理時吸收最強。所以「解理在哪個方向最深」取決於下偏光鏡的振動方向;課堂的寫法是解理東西向最深。實習時以你用的顯微鏡實際看到的為準,考試照課堂寫法。
解理:1 組
先預測:開放偏光下,把黑雲母從解理東西向轉 90° 到南北向,顏色會怎麼變?再切到正交偏光,黑雲母是什麼消光?(答案:由深褐變淺黃褐;平行消光——解理和十字絲平行時全黑。)
自我檢測 5
- 多色性和吸光性的差別?
- 為什麼等軸晶系的礦物不會有多色性?
- 黑雲母、角閃石在什麼方位顏色最深?
答案:(1) 多色性是不同方向吸收不同波長,旋轉時色調改變;吸光性是吸收相近波長但強弱不同,旋轉時深淺改變。(2) 等軸晶系各方向光學性質相同(等向性),每個振動方向吸收都一樣,旋轉不會變色。(3) 課堂寫法:黑雲母解理東西向時最深;角閃石解理東西向(兩組時是銳角平分線東西向)最深。
6. 常見礦物在開放偏光下 ★
| 礦物 | 晶形 | 顏色 | 多色性 | 浮影 | 解理 |
|---|---|---|---|---|---|
| 橄欖石 Ol | 自形 | 無色 | 無 | 高 | 無(常有不規則裂紋) |
| 普通輝石 Cpx | 自形(橫切面 4–8 邊形) | 無色 | 無 | 高 | 2 組(近直角) |
| 紫蘇輝石 Opx | 自形 | 無色/淡 | 偶有(淺綠–淺粉紅) | 高 | 2 組 |
| 普通角閃石 Hb | 自形到半自形 | 綠色 | 淡綠到淡褐 | 高 | 2 組(124°/56°) |
| 黑雲母 Bi | 半自形 | 綠褐 | 綠到深褐 | 中 | 1 組 |
| 斜長石 Pl | 半自形 | 無色 | 無 | 低 | 有 |
| 微斜長石 | 半自形 | 無色 | 無 | 低 | 有 |
| 正長石 Or | 半自形 | 無色(常混濁) | 無 | 低 | 有 |
| 白雲母 Mus | 半自形 | 無色 | 有時 | 低(閃突起) | 1 組 |
| 石英 Qz | 半自形到他形 | 無色、乾淨 | 無 | 低 | 無 |
| 方解石 Cal | 他形 | 無色 | 無 | 中(閃突起) | 有(菱面體) |
| 石榴子石 | 半自形 | 無色(淡粉紅) | 無 | 高 | 無 |
觀察的重點:有色 + 多色性的只有黑雲母(褐)和角閃石(綠);浮影高、無色的是橄欖石、輝石、石榴子石,再用解理分:無解理的是橄欖石或石榴子石(正交偏光下石榴子石全黑,L08);浮影低、無色的長英質礦物在開放偏光下很像,要到正交偏光看雙晶和干涉色才分得開。
自我檢測 6
- 開放偏光下,有多色性的兩種常見礦物?怎麼分?
- 浮影高、無色、無解理的礦物有哪兩種?要怎麼分?
- 為什麼長英質礦物在開放偏光下很難分?
答案:(1) 黑雲母(褐色、1 組解理)和角閃石(綠色、2 組斜交解理)。(2) 橄欖石和石榴子石;正交偏光下石榴子石全消光,橄欖石干涉色高。(3) 它們都無色、浮影低、沒有多色性,開放偏光下的特徵幾乎一樣,要到正交偏光看雙晶、干涉色、消光才分得開。
容易混淆
| 這個 | 那個 | 差別 |
|---|---|---|
| 下偏光鏡 | 上偏光鏡 | 起偏器、南北向、在載物台下/檢偏器、東西向、在鏡筒中 |
| 開放偏光 | 正交偏光 | 只用下偏光鏡/兩片都用 |
| 浮影 | 閃突起 | 折射率差造成的邊緣/旋轉時浮影變化 |
| 多色性 | 吸光性 | 色調改變/深淺改變 |
| 正浮影 | 負浮影 | 礦物 n 比周圍高/低 |
| 提升鏡筒 | 提升載物台 | 對焦方向相反,貝克線移動方向也相反 |
章末綜合題
- 解釋為什麼正交偏光下什麼都不放是黑的,而放了石英卻看得到顏色(可以先讀 L08 第 3 節)。
- 一顆綠色、有多色性、浮影高、兩組解理斜交的礦物是什麼?如果是褐色、一組解理呢?
- 橄欖石和斜長石放在同一張薄片中,哪一個浮影高?從折射率說明。用貝克線怎麼證明?
- 實習時同學把物鏡直接往下轉到薄片上對焦,結果薄片破了。依使用注意,正確的對焦方法是什麼?