L06　光性礦物學（一）

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

1. 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。
2. 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。
3. 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）。
4. 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。
5. 貝克線：提升鏡筒，亮線往折射率高的一側移動。
6. 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

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：

$n_1 \sin i = n_2 \sin r \qquad\text{或}\qquad n_1 v_1 = n_2 v_2$

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。

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

1. 十字絲就定位：十字絲要和上、下偏光鏡的振動方向平行。
2. 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。
3. 下偏光鏡就定位：確認上、下偏光鏡互相垂直（正交時全黑）。
4. 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。

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）。

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。

• 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 → N_grain > N_surroundings」。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。

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。

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。

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。）

6. 常見礦物在開放偏光下 ★

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。

容易混淆

章末綜合題

1. 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）。
2. 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？
3. 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？
4. 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？