Ch6 偏振光顯微鏡下的岩石與礦物

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這章在回答:怎麼用偏光顯微鏡鑑定礦物?光穿過礦物時發生什麼事,為什麼有的礦物在正交偏光下是黑的、有的五顏六色?怎麼判斷一軸晶、二軸晶與光性正負?

考前 30 秒

  1. Henry Sorby 1850 年發明偏光岩礦顯微鏡。標準薄片厚度 30 μm(0.03 mm)。★
  2. 折射率 RI = 光在空氣中的速率 ÷ 光在物質中的速率;Snell 定律 RI₁ sin i = RI₂ sin r。
  3. 貝克線:平行偏光(PPL)下,礦物邊緣的亮線;提升鏡筒(或降低載物台)時往折射率高的一側移動。★
  4. 浮凸:和加拿大膠(RI ≈ 1.53–1.54)比;RI 差越大浮凸越高;石英和加拿大膠接近 → 幾乎沒有(低正)浮凸。
  5. 雙折射率 = 最高 − 最低折射率(方解石 1.66 − 1.49 = 0.17);光程差 Δ = 厚度 × 雙折射率;約每 550 nm 一個干涉色階數。★
  6. 均向性:等軸晶系 + 非晶質(玻璃)→ 正交偏光下全黑。一軸晶:六方、正方;二軸晶:斜方、單斜、三斜。★
  7. 一軸正光性 ε > ω(石英 ω = 1.544、ε = 1.553 → 正);一軸負光性 ε < ω(方解石 ω = 1.658、ε = 1.486 → 負;電氣石負)。★
  8. PPL 只用下偏光鏡;XPL 同時用上下互相垂直的偏光鏡。

先認識的名詞

名詞English一句話
岩礦顯微鏡petrographic (polarizing) microscope加裝上下偏光鏡、用來看礦物光學性質的顯微鏡
平行偏光plane-polarized light (PPL)只用下偏光鏡
正交偏光cross-polarized light (XPL)上下偏光鏡偏振方向互相垂直
折射率refractive index (RI)光在空氣(真空)中速率 ÷ 在物質中的速率
貝克線Becke linePPL 下顆粒邊緣的亮線,用來比較相鄰物質折射率
浮凸relief礦物和周圍介質折射率差造成的立體感
均向性isotropic各方向折射率相同(等軸晶系、玻璃)
非均向性anisotropic (birefringent)不同方向折射率不同,入射光分成兩道速度不同的光
雙折射率birefringence最高與最低折射率的差
干涉色interference color兩道光在上偏光鏡合併後干涉產生的顏色
光程差retardation慢光比快光落後的距離 = 厚度 × 雙折射率
光軸optic axis光沿此方向傳播時不發生雙折射的方向
光率體optical indicatrix表示各振動方向折射率大小的橢球
消光角extinction angle晶體方向(長軸、解理)與光學振動方向的夾角
干涉圖interference figure錐光下用勃氏鏡看到的消光帶與等色線圖形

這一章的邏輯地圖

邏輯地圖
顯微鏡下怎麼鑑定礦物?
光在礦物中變慢,而且可能分成兩道
工具
薄片製作;顯微鏡構造;PPL 與 XPL
光變慢:折射率
Snell;貝克線;浮凸
光分兩道:雙折射
均向 vs 非均向;干涉色;光程差
幾何:光率體與干涉圖
一軸/二軸;正負光性;消光角;補償板
手機上可以左右滑動看全圖。讀法:PPL 看的是單一折射率的效應(浮凸、貝克線、顏色);XPL 看的是兩道光的差(干涉色、消光)。兩者最後都回到晶體對稱:等軸晶系各方向相同所以均向;六方、正方有一條特殊軸(一軸晶);更低對稱的晶系有兩條光軸(二軸晶)。

★ = 考試重點。

1. 薄片與偏光顯微鏡

  • Sorby 1850 年發明使用偏振光的岩礦顯微鏡,至今仍是鑑定礦物與研究岩石組織最有用的儀器。顯微鏡下鑑定出礦物和含量,就能把岩石分類(例:夏威夷 Kilauea Iki 玄武岩薄片:鈦鐵礦、普通輝石、斜長石)。
  • 薄片製作:切片(slabbing and cutting)→ 研磨黏著面 → 加熱乾燥 → 黏到玻片(bonding)→ 細切(slicing)→ 研磨(fine grinding)→ 拋光,最後厚度 30 μm。使用薄片室要先上網預約、簽到、不要單獨使用、用完清乾淨並拔電源。
1目鏡 ocular2上偏光鏡(檢偏器)analyzer:只讓東西向的光通過,可抽出3附加板插槽 slot for accessory plate4物鏡轉盤 revolving nosepiece5物鏡 objectives6旋轉載物台 rotating stage(有角度刻度)7聚光鏡 condenser lens8下偏光鏡(起偏器)polarizer:只讓南北向的光通過9垂直調節(對焦)旋鈕10光圈 diaphragm11照明 illuminator光由下往上
偏光顯微鏡和一般生物顯微鏡最大的差別是多了兩片偏光鏡:載物台下的「下偏光鏡」把光變成只在南北向振動的偏振光;鏡筒中的「上偏光鏡」只讓東西向的光通過。只用下偏光鏡叫開放偏光(open nicol, PPL);兩片都放入叫正交偏光(crossed nicols, XPL)。另外載物台可以旋轉、有刻度,用來量消光角。自繪示意圖;概念參考:課堂投影片 Ch6

偏光顯微鏡的構造(由上到下):接目鏡 → 上偏光鏡(分析鏡)→ 伯特蘭鏡(勃氏鏡,看干涉圖用)→ 物鏡 → 礦物薄片(在可旋轉的載物台上)→ 光圈 → 聚光鏡 → 下偏光鏡。

  • PPL(平行偏光):只用下偏光鏡。看晶形、顏色、多色性、解理、浮凸、貝克線。
  • XPL(正交偏光):上下偏光鏡偏振方向互相垂直。看干涉色、消光、雙晶、環帶。
  • 每次使用前要先取下並校正接目鏡的對焦(2022 填充 C29)。

一般光學顯微鏡 vs 偏光顯微鏡(2024 簡答 C1):一般顯微鏡用自然光,靠樣品對光的吸收和散射差異形成明暗、顏色對比,只能看形態。偏光顯微鏡多了上下兩片偏光鏡、可旋轉載物台、伯特蘭鏡與補償板:下偏光鏡讓光只在一個方向振動,非均向礦物把它分成兩道速度不同、振動方向互相垂直的光,經上偏光鏡合併後干涉產生干涉色,可以量折射率(浮凸、貝克線)、雙折射率(干涉色)、消光角、光軸數與光性正負(干涉圖),因此能鑑定礦物的光學性質。

自我檢測 1
  1. 誰發明岩礦顯微鏡?哪一年?
  2. 標準薄片厚度?
  3. PPL 和 XPL 的差別?各能看什麼?
  4. 一般光學顯微鏡和偏光顯微鏡在成像原理上的差別?

答案:(1) Henry Sorby,1850 年。(2) 30 μm(0.03 mm)。(3) PPL 只用下偏光鏡,看晶形、顏色、多色性、解理、浮凸、貝克線;XPL 加上與下偏光鏡垂直的上偏光鏡,看干涉色、消光、雙晶、環帶。(4) 一般顯微鏡靠樣品對自然光的吸收與散射造成對比;偏光顯微鏡用偏振光,利用非均向礦物把光分成兩道速度不同的光、經上偏光鏡干涉產生干涉色,可以量測折射率、雙折射率、消光角和光性。

2. 折射率、貝克線與浮凸

折射率

RI=光在空氣中的速率光在物質中的速率,RI1sin⁡i=RI2sin⁡r\text{RI} = \frac{\text{光在空氣中的速率}}{\text{光在物質中的速率}}, \qquad \text{RI}_1 \sin i = \text{RI}_2 \sin r

光在真空中 299,792 km/s、空氣中 299,705 km/s、水中 225,000 km/s(RI = 1.33)。光穿過礦物時速度變慢,量出慢多少就知道折射率。

貝克線 ★

互動:貝克線測試礦物顆粒埋在環氧樹脂(n = 1.537)中;提升鏡筒,看亮線往哪邊跑
礦物 n = 1.650環氧樹脂 n = 1.537
折射率差 = 0.113:高浮影,邊界很黑很粗
亮線往顆粒內移動 → 礦物折射率較高(正浮影)
課堂口訣:提升鏡筒(讓物鏡離開薄片),貝克線往折射率高的介質移動;降下鏡筒則反過來。投影片英文寫成「stage is raised」,判讀以中文口訣「提升鏡筒」為準,實驗時先用已知礦物確認一次。觀察時縮小光圈,把顆粒邊界移到視域中央。浮影的高低取決於礦物和周圍(環氧樹脂或加拿大膠,n ≈ 1.537)折射率差多少:橄欖石 1.64–1.88 浮影高、斜長石 1.53–1.57 浮影低。(示意圖,亮線位置只表示方向。)

PPL 下,兩個折射率不同的物質交界處會出現一圈亮線(貝克線)。提升鏡筒(或降低載物台)時,貝克線往折射率高的一側移動。例:磷灰石(RI = 1.65)在長石或石英(RI ≈ 1.55)中,提高鏡筒時亮圈往磷灰石內側移動。

浮凸

和薄片中的**加拿大膠(RI ≈ 1.53–1.54)**比較:

  • RI > 1.53 → 正浮凸;RI < 1.53 → 負浮凸。
  • RI 差越大,邊界越明顯、越「浮」起來:高浮凸 ΔRI ≈ 0.25(石榴子石、橄欖石),低浮凸 ΔRI ≈ 0(石英幾乎看不到邊界)。
  • 2024 填充 B16:石英 ω = 1.544、ε = 1.553,加拿大膠 1.537 → 石英略高 → 低(正)浮凸。
自我檢測 2
  1. 寫出折射率定義和 Snell 定律。
  2. 提升鏡筒時,貝克線往哪邊移動?
  3. 浮凸是和什麼比?正負浮凸怎麼分?
  4. 石英在薄片中的浮凸如何?為什麼?

答案:(1) RI = 光在空氣中速率 ÷ 光在物質中速率;RI₁ sin i = RI₂ sin r。(2) 往折射率較高的一側。(3) 和加拿大膠(約 1.53–1.54)比;礦物 RI 較高為正浮凸,較低為負浮凸。(4) 低(正)浮凸,因為石英折射率 1.544–1.553 和加拿大膠 1.537 非常接近。

3. 雙折射與干涉色 ★

均向與非均向

性質定義礦物XPL 下
均向性 isotropic所有方向折射率相同,光速不隨方向變等軸晶系(石榴子石、尖晶石、螢石、岩鹽)+非晶質(玻璃)轉一圈都全黑(全消光)
非均向性 anisotropic不同方向折射率不同,入射光分成兩道速度不同、振動方向互相垂直的光其他所有晶系有干涉色,轉一圈消光 4 次

干涉色怎麼來

均向性(等軸晶系、玻璃)未偏振光下偏光鏡(南北)礦物方向不變上偏光鏡(東西)全黑非均向性(其他晶系)未偏振光下偏光鏡(南北)礦物分成兩道互相垂直的光上偏光鏡(東西)干涉色
正交偏光下為什麼會有顏色。下偏光鏡只讓南北向振動的光通過;均向性礦物不改變振動方向,到了只收東西向光的上偏光鏡就全被擋掉,所以全黑,而且轉動載物台也一直黑(全消光)。非均向性礦物把光拆成兩道振動方向互相垂直、速度不同的光,它們都有東西向的分量,通過上偏光鏡後互相干涉,產生干涉色;當這兩個振動方向剛好和偏光鏡平行時,就變黑(消光),所以轉一圈會消光四次。自繪示意圖;概念參考:課堂投影片 Ch6

下偏光鏡讓光只在東西向振動 → 非均向礦物把它拆成兩道速度不同的光(快光、慢光),穿出礦物時慢光落後一段距離(光程差)→ 上偏光鏡(南北向)只讓兩道光在南北方向的分量通過 → 兩道有相位差的光合併時干涉,某些波長加強、某些抵消,就是干涉色。沒有礦物時,東西向的光被南北向的上偏光鏡完全擋住(全黑)。

Δ=d×δ(光程差=厚度×雙折射率)\Delta = d \times \delta \quad (\text{光程差} = \text{厚度} \times \text{雙折射率})

  • 雙折射率 δ:礦物最高和最低折射率的差。方解石 1.66 − 1.49 = 0.17。
  • 干涉色隨光程差增加重複出現,約每 550 nm 增加一個階數(order)。(2022 填充 C32–C33)
  • 所以礦物越厚、或雙折射率越大,干涉色的階數越高。(2024 填充 B17、B18)
  • 例:北愛爾蘭玄武岩中的斜長石雙折射 0.012 → 灰白干涉色;輝石 0.025 → 黃紅藍的二階干涉色。
互動:干涉色表(Michel-Lévy)光程差 = 薄片厚度 × 雙折射率;拉厚度、選礦物,看干涉色
05501100165001020304050光程差(nm) 一階|二階|三階厚度(μm)
光程差 Δ = d × δ = 30000 nm × 0.009 = 270 nm
干涉色: 一階
標準薄片厚 30 μm(0.03 mm,虛線)。雙折射小的石英、長石在一階灰白;輝石、角閃石到二階的鮮豔顏色;方解石雙折射 0.17,光程差 5000 nm 以上,變成粉白的「高階白」。黑色斜線是各礦物的雙折射率,沿線往上就是越厚越高階。顏色由 sin²(πΔ/λ) 對可見光積分算出,和實際色表大致相同。

【例題 ★ 2025 填充 B6–B8】標準薄片厚度是多少?若薄片比標準厚 10 μm,雙折射率 0.031 的透輝石和 0.010 的石膏,干涉色各是什麼?

解:標準厚度 30 μm,所以這片是 40 μm。

  • 透輝石:Δ = 40 μm × 0.031 = 40,000 nm × 0.031 = 1240 nm → 超過 1100 nm,落在三階,約三階藍(偏藍綠)。
  • 石膏:Δ = 40,000 × 0.010 = 400 nm → 一階,約一階淡黃白。

(實際顏色以考場投影的干涉色表為準:先算光程差,在色表橫軸找到那一點,往上對到 40 μm 的位置讀顏色。用上面的互動圖把厚度拉到 40 μm、雙折射率調到 0.031 和 0.010 可以對照。)

自我檢測 3
  1. 均向性和非均向性的差別?哪些礦物是均向性?
  2. 為什麼正交偏光下會出現干涉色?
  3. 寫出光程差公式。礦物越厚或雙折射率越大,干涉色會怎樣?
  4. 方解石的雙折射率是多少?怎麼算?
  5. 一片 30 μm 的薄片中,石英(δ = 0.009)的光程差和干涉色?

答案:(1) 均向性各方向折射率相同(等軸晶系、玻璃),XPL 下全黑;非均向性不同方向折射率不同,光分成兩道。(2) 非均向礦物把下偏光鏡來的光分成快、慢兩道,產生光程差;兩道光在上偏光鏡的振動方向分量合併時干涉,部分波長加強、部分抵消,形成干涉色。(3) Δ = d × δ;階數越高。(4) 0.17 = 最高 1.66 − 最低 1.49。(5) 30,000 nm × 0.009 = 270 nm,一階灰白。

4. 光率體、消光與干涉圖

光性分類

光軸(c 軸)ωε正光性(+)ε > ω,沿光軸拉長;石英光軸(c 軸)ωε負光性(−)ε < ω,沿光軸壓扁;方解石
一軸晶的光率體:從晶體中心沿每個振動方向畫一段長度等於折射率的線段,端點連成的立體就是光率體。垂直光軸的切面是半徑為 ω(No,正常光)的圓(虛線),所以光沿光軸前進時不分裂(沒有雙折射);沿光軸方向的半徑是 ε(Ne,異常光)。ε > ω 時光率體沿光軸拉長,是正光性(石英 +);ε < ω 時壓扁,是負光性(方解石 −)。雙折射率 = 最大與最小折射率的差,方解石 1.66 − 1.49 = 0.17。自繪示意圖;概念參考:Open Geology;課堂投影片 Ch6
光性晶系光率體光軸
不透明———
均向等軸球無(每個方向都一樣)
一軸非均向(單光軸)六方、正方旋轉橢球(ω、ε)1 條,平行 c 軸
二軸非均向(雙光軸)斜方、單斜、三斜三軸橢球(α、β、γ)2 條

一軸晶的正負光性 ★:ω 是尋常光折射率、ε 是非尋常光折射率。

  • ε > ω → 正光性(光率體沿光軸拉長):石英 ω = 1.544、ε = 1.553。
  • ε < ω → 負光性(光率體沿光軸壓扁):方解石 ω = 1.658、ε = 1.486;電氣石。

(每年必考:「石英屬於六方晶系,所以光性屬於 ___ 晶體,ω = 1.544、ε = 1.553,光率體為 ___」答單軸(一軸)非均向、正。2022 方解石答單軸、負。)

消光與消光角

平行消光解理 ∥ 十字絲對稱消光十字絲平分兩組解理消光角斜消光解理和十字絲斜交
三種消光(正交偏光下顆粒變黑的位置)。平行消光:解理或晶體長邊和十字絲平行時消光(黑雲母、白雲母、正長石、斜方輝石、橄欖石);對稱消光:十字絲剛好平分兩組解理的夾角時消光(方解石、角閃石的橫切面);斜消光:解理和十字絲夾一個角度時才消光,這個角就是消光角(單斜輝石約 36–45°、角閃石、斜長石)。量法:先把解理對齊十字絲,再轉載物台到全黑,轉過的角度就是消光角。自繪示意圖;概念參考:課堂投影片 Ch6

非均向礦物在 XPL 下轉載物台,當它的兩個振動方向剛好和上下偏光鏡平行時,光完全被擋住 → 消光,轉一圈消光 4 次。

  • 消光角:礦物的晶體學方向(長軸、解理)和光學振動方向(快光或慢光)之間的夾角。平行消光(0°,斜方輝石)、斜消光(單斜輝石、角閃石)、對稱消光(方解石菱面解理)。
  • 波狀消光:石英受變形,晶格輕微彎曲,消光像波一樣掃過顆粒。

干涉圖與補償板

在錐光(聚光鏡 + 高倍物鏡)下插入伯特蘭鏡(勃蘭特式鏡),看到的是干涉圖:

  • 等色線(isochromes):光程差相同的區域,呈相同干涉色的曲線。
  • 消光帶(isogyres):黑色帶狀區域,代表光的振動方向和上下偏光鏡重合而消光。
  • 光軸出露點(melatope):光軸方向在干涉圖上的位置,通常在消光帶上。
  • 一軸晶(石英正、電氣石負):黑十字;二軸晶(斜輝石正、白雲母負):兩個光軸出露點、彎曲的消光帶。
  • 一階紅補償板(石膏板、λ 板):固定光程差約 530–550 nm。插入後看干涉色是升高(相加)還是降低(相減),判斷礦物的快慢方向,進而決定光性正負。
自我檢測 4
  1. 哪些晶系是一軸晶?哪些是二軸晶?
  2. 石英 ω = 1.544、ε = 1.553,是什麼光性?方解石 ω = 1.658、ε = 1.486 呢?
  3. 什麼是消光角?
  4. 干涉圖中的 isochromes、isogyres、melatope 各是什麼?
  5. 一階紅補償板的光程差是多少?用來做什麼?

答案:(1) 一軸晶:六方、正方;二軸晶:斜方、單斜、三斜。(2) 石英 ε > ω,一軸正光性;方解石 ε < ω,一軸負光性。(3) 礦物晶體學方向(長軸、解理)與光學振動方向(快光或慢光)之間的夾角。(4) Isochromes:光程差相同、干涉色相同的等色線;isogyres:振動方向與偏光鏡重合而消光的黑色帶;melatope:光軸出露點,通常在消光帶上。(5) 約 530–550 nm;插入後觀察干涉色升高或降低,判斷光程差相加或相減,鑑定光性正負。

容易混淆

這個那個差別
PPLXPL只用下偏光鏡/上下偏光鏡互相垂直
浮凸干涉色單一折射率和加拿大膠的差(PPL)/兩個折射率的差(XPL)
折射率雙折射率光變慢多少/最高與最低折射率的差
均向性消光永遠全黑(等軸、玻璃)/非均向礦物在特定角度變黑
一軸晶二軸晶六方、正方,一條光軸/斜方、單斜、三斜,兩條
正光性負光性ε > ω(石英)/ε < ω(方解石、電氣石)
等色線消光帶同光程差的彩色曲線/消光的黑色帶

章末綜合題

  1. 2024 C1:描述一般光學顯微鏡與偏光顯微鏡成像原理的差異,以及偏光顯微鏡如何用於分析礦物光學性質(6 分)。
  2. 2025 B6–B8:40 μm 厚的薄片中,透輝石(0.031)與石膏(0.010)的干涉色?
  3. 2024 B14–B16:石英的光性、光率體正負、和加拿大膠(1.537)比的浮凸?
  4. 解釋 Optic axis、Becke line(2021、2022 名詞解釋)。
  5. 為什麼石榴子石在 XPL 下永遠是黑的?