非均质体的光率体
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发布时间：2022-08-06 07:20
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时间：2024-11-25 13:05
非均质体指光波入射后，除特殊方向外都要发生双折射，分解形成振动方向不同、传播速度不等、折射率值不等的两束偏光的晶体。非均质体包括中级晶族和低级晶族各晶系晶体。
（一）中级晶族矿物晶体（—轴晶）光率体
1.—轴晶光率体的构成及特征
一轴晶指中级晶族（包括三方晶系、四方晶系和六方晶系）的晶体。它们的水平结晶轴轴单位相等，即a=b。它们在水平方向上的光学性质相同，光沿Z轴（即光轴方向）射入不发生双折射，而沿其他任何方向入射均要发生双折射。这类晶体有最大和最小两个主折射率值，用No和Ne表示。光波平行Z轴振动时，相应折射率值为Ne；光波垂直Z轴振动时，相应折射率值为No；光波振动方向与Z轴斜交时，相应折射率值在Ne与No之间，用N'e表示。显然，一轴晶光率体是一个以Z轴为旋转轴的旋转椭球体，并有正负光性之分。下面以石英、方解石为例分别加以说明。
（1）石英
当光波平行Z轴方向入射时（图2-2A），不发生双折射，其折射率值为No，经测得No=1.544，以此值为半径构成一个垂直Z轴的圆切面。当光波垂直石英晶体Z轴入射时（图2-2B），发生双折射，形成两种偏光：其一为常光，振动方向垂直Z轴，折射率值为1.544，即No=1.544；其二为非常光，振动方向平行Z轴，折射率值为1.553，即Ne=1.553。在Z轴方向上从中心向上、下按比例截取线段长代表N，值，垂直Z轴方向上截取线段长代表No值，并以此两线段为长、短半径，构成包含Z轴且垂直入射光波的椭圆切面（图2-2B）。将这两切面联系起来并以Z轴为旋转轴，旋转后得一长形旋转椭球体（图2-2C），此即石英的光率体，其旋转轴为光轴（OA）。
图2-2 一轴晶正光性晶体（石英）光率体的构成
（据李德惠，2002)
石英光率体的特征是：①其旋转轴（光轴）为长轴；②光波平行光轴振动时的折射率值大于垂直光轴振动时的折射率值，即Ne>No；③光率体的形态为长形旋转椭球体。凡具有这种特点的光率体统称为一轴晶正光性光率体，相应的矿物称一轴晶正光性矿物。
（2）方解石
当光波平行Z轴方向入射时（图2-3A），不发生双折射，其折射率值为1.658，即No=1.658。以此值为半径构成一个垂直Z轴的圆切面。当光波垂直方解石晶体的Z轴入射时（图2-3B），发生双折射，分解形成两种偏光：其一为常光，No＝1.658，振动方向垂直Z轴；其二为非常光，Ne=1.486，振动方向平行Z轴。按石英光率体的制作方法，可得一扁形旋转椭球体（图2-3C），此即方解石的光率体。
图2-3 一轴晶负光性晶体（方解石）光率体的构成
（据李德惠，2002）
方解石光率体的特点是：①其旋转轴（光轴）为短轴；②光波平行光轴振动时的折射率值小于垂直光轴振动时的折射率值，即Ne<No；③光率体的形态为扁形旋转椭球体。凡具这种特点的光率体称为一轴晶负光性光率体，相应的矿物称一轴晶负光性矿物。
由上可知，一轴晶光率体是旋转椭球体，无论是正光性还是负光性，其旋转轴（直立轴）都是Ne轴（光轴），水平轴为No轴（图2-4）。Ne与No代表一轴晶矿物折射率的最大与最小值，称主折射率。Ne与No的相对大小决定一轴晶矿物的光性符号。当Ne>No时，为正光性；Ne<No时，为负光性。Ne与No的差值为一轴晶矿物的最大双折率，即ΔN＝｜Ne-No｜。
2.一轴晶光率体的主要切面
在偏光显微镜下鉴定透明矿物时，所遇到的都是矿物晶体不同方向的切面（即不同方向的光率体切面），一轴晶光率体的主要切面有下列3种：
（1）垂直光轴的切面（图2-5A）
为圆切面，其半径等于No。光波垂直这种切面入射时（即沿光轴入射），不发生双折射，基本不改变入射光波的振动特点和振动方向，相应的折射率值等于No，双折射率等于零。通过一轴晶光率体中心只有一个这样的圆切面。
（2）平行光轴的切面（图2-5B)
图2-4 一轴晶光率体
（据李德惠，2002）
为椭圆切面，其长、短半径为No与Ne（正光性：长半径为Ne，短半径为No；负光性：长半径为No，短半径为Ne）。光波垂直这种切面入射时（即垂直光轴入射），发生双折射，分解形成两种偏光，其振动方向必分别平行椭圆切面的长、短半径；其相应的折射率必定分别等于椭圆切面两半径Ne与No。双折射率必等于椭圆切面两半径Ne与No之差，是一轴晶矿物的最大双折射率（光性矿物中描述的双折射率都是最大双折射率）。这种切面是一轴晶光率体的主轴面。
（3）斜交光轴的切面（图2-5C）
仍为椭圆切面，其长、短半径为
与No。光波垂直这种切面入射时（即斜交光轴入射），发生双折射，分解形成两种偏光，其振动方向必定分别平行椭圆切面长、短半径，其相应的折射率必定分别等于椭圆切面两半径
与No。双折率等于椭圆两半径
与No之差，其大小递变于零与最大双折射率之间。在一轴晶光率体中，所有斜交光轴的椭圆切面长、短半径中，始终有一个是No。如为正光性，短半径为No；如为负光性，长半径为No。
应用光率体，可以确定光波在晶体中的传播方向（波法线方向）、振动方向及相应折射率值之间的关系。光波沿光轴方向射入晶体，垂直入射光波的光率体切面为圆切面，不发生双折射，基本不改变入射光波的振动特点及振动方向，其双折射率等于零。光波沿其他任何方向射入晶体，垂直入射光波的光率体切面均为椭圆切面，其长、短半径方向分别代表入射光波发生双折射分解形成两种偏光的振动方向，半径的长短分别代表两种偏光的折射率值，长、短半径之差代表其双折射率值。在一轴晶矿物中，垂直光轴切面的双折射率为零，平行光轴切面的双折射率最大，其他方向切面的双折射率递变于零与最大值之间。
（二）低级晶族矿物晶体（二轴晶）光率体
1.二轴晶光率体的构成及特征
二轴晶指低级晶族（斜方、单斜、三斜晶系）的矿物。这类晶体的3个结晶轴轴单位不等，即a≠b≠c，表明它们在三维空间上内部结构和光学性质的不均一性。实验测定，这类矿物具有大、中、小3个主折射率值，它们分别与互相垂直的3个振动方向相当，以符号Ng、Nm、Np代表大、中、小3个主折射率值。当光波沿其他方向振动时，相应的折射率值递变于Ng、Nm、Np之间，以符号
和
表示。它们与Ng、Nm、Np的相对大小是：
。显然，二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体。
图2-5 一轴晶正光性光率体的主要切面
（据李德惠，2002）
现以斜方晶系矿物镁橄榄石为例说明二轴晶光率体的构成。
当光波沿镁橄榄石Z晶轴方向射入晶体时，发生双折射，分解形成两种偏光：其一振动方向平行X晶轴，测得相应的折射率值等于1.715；另一种偏光振动方向平行Y晶轴，测得相应的折射率值等于1.651。在X晶轴方向上，由中心向两边按比例截取折射率值1.715；在Y晶轴方向上，由中心向两边按比例截取折射率值1.651。以此两线段为长、短半径构成垂直入射光波（垂直Z晶轴）的椭圆切面（图2-6A）。
当光波沿镁橄榄石X晶轴方向射入晶体时，发生双折射，分解形成两种偏光：其一振动方向平行Y晶轴，测得相应的折射率值等于1.651；另一种偏光的振动方向平行Z晶轴，测得相应的折射率等于1.680。按同样的方法构成垂直入射光波（垂直X晶轴）的椭圆切面（图2-6B）。
当光波沿镁橄榄石Y晶轴方向射入晶体时，发生双折射，分解形成两种偏光：其一振动方向平行X晶轴，相应的折射率值等于1.715；另一种偏光的振动方向平行Z晶轴，相应的折射率值等于1.680。按同样的方法构成垂直入射光波（垂直Y晶轴）的椭圆切面（图2-6C）。
图2-6 二轴晶光率体的构成
（据李德惠，2002）
把这3个椭圆切面，按照它们的空间位置联系起来，便构成了镁橄榄石的光率体。它是一个三轴不等的椭球体（图2-6D），即三轴椭球体。
从镁橄榄石3个主要方向切面上测定的折射率值可以看出，它具有大（1.715）、中（1.680）、小（1.651)3个主折射率值。与它们相当的3个振动方向分别平行X、Z、Y晶轴。实验证明，其他低级晶族矿物（二轴晶）都具有大（Ng）、中（Nm）、小（Np)3个主折射率值，它们分别与互相垂直的3个振动方向相当。但Ng、Nm、Np的大小及与它们相当的互相垂直的3个振动方向在晶体中的位置，与镁橄榄石不相同。因此，低级晶族晶体的光率体都是三轴椭球体。
二轴晶光率体中，3个互相垂直的轴代表二轴晶矿物的3个主要光学方向，称为光学主轴，简称主轴，即Ng轴、Nm轴和Np轴。
包括两个主轴的面称主轴面（主切面）。二轴晶光率体有3个互相垂直的主轴面，即NgNo面、NgNm面和NmNp面。
因为二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体，通过中等Nm轴，在光率体一侧的Ng轴与Np轴之间，可以连续切一系列椭圆切面（图2-7A）。这些切面的半径之一始终是Nm轴，另一半径的长短递变于Ng轴与Np之间。因系连续变化，在它们之中，必定有一半径等于Nm的圆切面。在光率体的另一侧，通过Nm轴，同样可以截出另一个圆切面（图2-7B）。光波垂直这两个圆切面入射时，不发生双折射，基本不改变入射光波的振动特点及振动方向，因而这两个方向为光轴（图2-7B）。通过二轴晶光率体中心，只能截出两个圆切面，即只有两个光轴方向，故称二轴晶。
图2-7 二轴晶光率体的圆切面及光轴（据李德惠，2002)
包括两个光轴的面称光轴面，以符号“AP”或“O.A.P”表示。光轴面与主轴面NgNp面一致。两个光轴之间的锐角称光轴角（图2-7B及图2-8），以符号“2V”表示。两个光轴之间锐角的平分线称锐角等分线，以符号“Bxa”表示。两个光轴之间钝角的平分线称钝角等分线，以符号“Bxo”表示。
根据Ng、Nm、Np值的相对大小，确定二轴晶矿物的光性符号。当Ng-Nm>Nm-Np时，为正光性。在这种情况下，Nm值比较接近Np值，以Nm为半径，在Ng轴与Np轴之间所作的两个圆切面，必然比较靠近Np轴（图2-7B，图2-8A）；而垂直两个圆切面的两个光轴必更靠近Ng轴。因此，两个光轴之间的锐角等分线（Bxa）必定是Ng轴。
当Ng-Nm<Nm－Np时，为负光性。此时，Nm值比较接近Ng值，以Nm为半径，在Ng轴与Np轴之间所作的两个圆切面，必定更靠近Ng轴（图2-8B）；而垂直两个圆切面的两个光轴必更靠近Np轴。因此，两个光轴之间的锐角等分线必为Np轴。
由上述情况可知，二轴晶矿物的光性符号也可根据Bxa是Ng轴还是Np轴确定。当Bxa=Ng时，为正光性；Bxa=Np时，为负光性。
图2-8 二轴晶光率体
（据李德惠，2002)
A—正光性光率体；B—负光性光率体
2V的大小取决于Ng-Nm和Nm-Np的大小，因为一般矿物的主折射率值相差不大，其关系式可以近似地表示为：
晶体光学及光性矿物学
2.二轴晶光率体的主要切面
二轴晶光率体的主要切面有以下5种。
（1）垂直光轴（⊥OA）的切面（图2-9A)
为圆切面，其半径等于Nm。光波垂直这种切面入射时（即沿光轴入射），不发生双折射，基本不改变入射光波的振动特点及振动方向。相应的折射率值等于Nm，双折射率等于零。
（2）平行光轴面（//AP）的切面（图2-9B）
为椭圆切面（相当于主轴面NgNp），其长、短半径分别等于Ng和Np。光波垂直这种切面入射时（即沿Nm轴入射），发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向必分别平行椭圆切面的长、短半径Ng轴和Np轴，相应的折射率值必分别等于Ng与Np值，双折射率等于椭圆长、短半径之差（Ng-Np），是二轴晶矿物的最大双折射率。
（3）⊥Bxa的切面（图2-9C、D）
为椭圆切面，正光性晶体相当于主轴面NmNp面，其长、短半径分别为Nm和Np；负光性晶体相当于主轴面NgNm面，其长、短半径分别为Ng和Nm。光波垂直这种切面入射时（即沿Bxa方向入射），发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向必定分别平行椭圆切面长、短半径Nm和Np或Ng和Nm；相应的折射率值分别等于Nm和Np或Ng和Nm值。双折射率等于Nm-Np或Ng-Nm，其大小介于零与最大双折率之间。
（4）⊥Bxo的切面（图2-9E、F）
为椭圆切面，正光性晶体相当于主轴面NgNm面，其长、短半径分别为Ng和Nm；负光性晶体相当于主轴面NmNp面，其长、短半径分别为Nm和Np。光波垂直这种切面入射时（即沿Bxo方向入射），发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向必定分别平行椭圆切面长短半径Ng和Nm或Nm和Np；相应的折射率值分别等于Ng和Nm值或Nm和Np值。双折率等于Ng-Nm或Nm-Np，其大小介于零与最大双折射率之间。但无论是正光性还是负光性，垂直Bxa切面的双折射率总是小于垂直Bxo切面的双折射率。这是因为正光性晶体的Ng、Nm、Np相对大小是：
晶体光学及光性矿物学
负光性晶体的Ng、Nm、Np相对大小是：
晶体光学及光性矿物学
以上//AP、上Bxa、⊥Bxo的切面都是二轴晶光率体的主轴面，属于垂直光率体主轴的切面。
（5）斜交切面（图2-9G、H）
不垂直光轴，也不垂直主轴的切面属于斜交切面，这种切面有无数个，它们都是椭圆切面，但非主轴面。斜交切面大体上可分为两种类型：①垂直主轴面的斜交切面，即垂直NgNp面、NgNm面及NmNp面的斜交切面，称半任意切面。这类切面的椭圆长、短半径中，总有一个半径是主轴（Ng轴或Nm轴或Np轴），另一个半径是
或
。在半任意切面中，比较重要的是垂直NgNp面（光轴面）的斜交切面（图2-9G）。这种切面的椭圆长、短半径中，必有一个半径是Nm轴，另一个半径是
或
。这种切面在某些情况下，可以代替垂直光轴的切面。垂直光轴的圆切面，实际上是这类切面的特殊类型。②任意斜交切面（图2-9H）。椭圆切面的长、短半径分别为
和
，光波垂直这类切面入射时（即除光轴和主轴方向以外的任意方向入射），发生双折射，分解形成两种偏光。其振动方向必分别平行椭圆长、短半径方向；相应的折射率值必分别等于长短半径
和
。双折射率等于长、短半径之差
，其大小介于零与最大双折射率之间。
图2-9 二轴晶光率体的主要切面
