第2章光学显微分析 ·9 利用光学显微分析技术进行物相分析就是研究材料和其原料的物相组成及显 微结构，并以此来研究形成这些物相结构的工艺条件和产品性能间的关系。 2.2晶体光学基础 2.2.1光的物理性质 光是键合电子在原子核外电子能级之间激发跃迁产生的白发能量变化，导致 发射或吸收辐射能的一种形态。在麦克斯韦电磁理论中，认为光是叠加的振荡电 磁场承载着能量以连续波的形式通过空间。按照量子理论，光能量是由一束具有 极小能量的微粒即“光子”不连续地输送着，表明光具有微粒与波动的双重性，即波 粒二象性。由于光学显微分析所观察到的光与物质的相互作用效应，在特性上像 波，故利用光的波动学说解决晶体光学问题。 电磁波在空间的传播过程中，电磁场振动垂直于其传播方向，因此光是横波。 即光波振动与传播方向垂直。电滋波的范围极为广泛，包括无线电波、红外线、可 见光、紫外线、X射线和Y射线等。它们的本质完全相同，只是波长（或颍率）不同 而特性也不同。按照它们的波长大小依次排列便构成一个电磁波谱，如图2】 所示 103 Y射线 3900 50e0蔽 5000 5500 10 6000 红外线 6s00 7000 短无线电波 7500 L100 广滑波段 长无线电流 图2.1电磁波谐 从电磁波谱可以看出，可见光只是整个电磁波谱中波长范围很窄的一段，其 波长约为3900一7700A(1A=1010m)。这一小波段电磁波能引起视觉.故称为可 见光波。不同波长的可见光波作用在人的视网膜上产生的视觉不一样，因而产生
·10 材料研究方法 各种不同的色彩。当波长由大变小时，相应的颜色由红经橙、黄、绿、蓝、靛连续过 渡到紫。各种颜色，的大致波长范围如图2.1所示。通常所见的“白光”实质上就是 各种颜色的光按一定比例混合成的混合光。 根据光波的振动特点，光又可以分成自然光和偏振光两种。 所谓自然光就是从普通光源发出的光波，如太阳光、灯光等。光是由光源中的 大量分子或原子辐射的电磁波的混合波，光源中的每一个分子或原子在某一瞬间 的运动状态各不相同，因此发出的光波振动方向也各不相同。因此自然光的振动 具有两方面的性质：一方面它和光波的传播方向垂直，另一方面它又迅速地变换着 自己的振动方向，也就是说自然光在垂直于光的传播方向的平面内的任意方向振 动，如图2.2(a)所示。由于发光单元的数量极大，因此自然光各个方向上振动的 概率相同，在各个方向上的振幅也相等。 ① 妙的的 m111 图2.2白然光和偏振光振动示意图 (a)自然光：(b)偏振光 偏振光是自然光经过某些物质的反射、折射、吸收或其他方法，使它只保留某 一固定方向的光振动，如图2.2(b)所示。 偏振光的光振动方向与传播方向组成的平面称为振动面。由此也将偏振光称 为平面偏光，简称偏光 2.2.2光与固体物质的相互作用 一束光人射到固体物质的表面，会产生光的折射、反射和吸收等现象，其折射、 反射和吸收性能与光的性能、人射方法及固体物质性质有关。 1.光的折射 无论光是自然光还是偏光，当它从一种介质传到另一介质时，在两介质的分界 面上将产生反射和折射现象。反射光将按照反射定律反射回原介质中。而折射光 将从一种介质传播到另一种介质中。 光从一种介质进入到另一种介质而发生折射时，入射线、折射线和两种介质分 界面的法线同在一个平面内。人射线a与折射面AB法线N的夹角称入射角i, 折射线b与法线N的夹角称折射角r。入射角的正弦与折射角的正弦之比等于光
第2章光学显微分析 11 波在入射介质中的波速与折射介质中的波速之比，此 比值称为折射介质对入射介质的相对折射率，如图 2.3所示，称为折射定律。折射定律可以借惠更斯波 前原理证明并可用下列公式表示： (2.1) sin r 式中：v,为光在入射介质中的速度；，为光在折射介 质中的速度；N称为折射介质对入射介质的相对折射 率（又称折光率）。 图2.3光的折射 如果入射介质为真空，则N称为折射介质的绝对折射率，简称折射率。 从式(2.1)可以看出，介质中光传播的速度越大，则该介质的折射率越小：相 反，如介质中光传播的速度越小，则该介质的折射率越大。即介质的折射率与光在 介质中的传播速度成反比(u,/u,=N,/N,)。 光在真空中的传播速度最大，而光在空气中的传播速度与光在真空中的传播 速度几乎相等。因此通常也可将空气的折射率视为1（严格说空气的折射率应为 1,003)。在其他各种液体和固体中，光的传播速度总是小于真空中光的传播速度， 故它的折射率总是大于1。 同一介质的折射率因所用光波的波长而异，这种性质称为折射率色散。对于 同-一介质，光波的波长与折射率成反比。在可见光谱中，紫光波长最短，红光波长 最长。因此同一介质在紫光中测定的折射率最大，而在红光中测定的折射率最小， 用其他色光测得的折射率值介于两者之间。 晶体的折射率色散能力，是指晶体在两种波长光波中测定的折射率的差值。 差值越大，色散能力越强，反之则越弱。如萤石的色散能力很小，N紫一N红= 0.00868;金刚石的色散能力很强，N紫-N红=0.05741。此外，不同物态的介质， 色散能力也有差异。一般来讲液体的色散能力较固体强，这对于用油浸法测定品 体的折射率很重要。为了不受色散的影响，测定折射率时，宜在单色光中进行，通 常就是利用黄色光，即用钠光灯作光源（波长在可见光谱的中部）。在一般文献中 列出的矿物折射率值，都是指黄色光中测定的数值。 2.光的吸收 一束光线照射到物质的表面，一部分光线被反射，另一部分光线透过（透明材 料)，还有一部分光线要被物质所吸收。光的吸收主要是光的波动能转换为热能等 其他形式的结果。 当光射入吸收性物质后，光的振幅随者透入深度的增大而不断减小，图2.4绘 出了这种诚弱情况。兰伯特(J.H.Lambert)吸收指数定律则给出了光吸收的数
,12. 材料研究方法 学表达式 Ir Iexp(-ar) (2.2) 式中：1为透过厚度为x的光强；【为人射光强：x为透入深度；a为比例常数。 dxie-dr 图24品体对光的吸收 3.光的反射 根据反射的基本定律，以反射表面法线为基准的人射角和反射角是相等的，人 射光线、反射光线和反射表面法线处于同一平而上。 在精抛光平表面上可获得单向反射（表面不平整度小于光波长），而在粗糙表 面上则呈漫反射。反射光的强度和波长取决于表面的本性和反射介质的光学性 质。通常县有不定域电子的导电体或半导体材料是不透明的，并且呈现很好的反 射率。而以离子或共价键特征为主的材料是透明的，但有时是有色的。这是由于 流动的电子会吸收任何波长的光，而键合电子只与个别波长的光相互作用。 物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射能力称为反射力。表示反射力 大小的数值称为反射率 R=(1,/1:)×100% (2.3) 式中：R为反射率：1，为反射光的强度；1，为入射光的强度 如果物质表面对白光中七种色光等量反射，则物质没有反射色，只是根据反射 率的大小而呈现为白色或程度不等的灰色；反射率大的物质呈白色，反射半小的物 质呈灰色，如果物质对七种色光选择性反射，使某些色光反射多一些，则物质会呈 现反射色。所以反射色专指物质表面选择性反射色光而产生的颜色，又称表色，是 山于物质表面选择性反射作用的结果，即物质对不问波长的色光的反射力不同而 形成的。许多金属材料有很显著的特征反射色，如黄铁矿为黄色反射色，赤铁矿为 无色或者蓝灰色反射色，因此，反射色是鉴定不透明物质的重要特征。 有些晶体材料在不同方向上具有不同的折射率，在材料表面的反射力也不相 同，而呈现双反射现象。用一束偏振光以不同方位照射这些晶体材料，会产生明显 的反射多色性。 一束白光射到矿物表面后，除了一部分光线被反射外，另一部分光线被折射透 人矿物内部，若遇到矿物内部的解理、裂隙、空洞及包裹体等不同介质的分界面时
第3章光学是慌分扩 413. 光线会被反射出来，这叫做矿物的内反射作用（图2.5）：由于内反射作用所产生 的颜色称内反射色，又称为矿物的体色 围2.5内反射作用 物质的颜色，反射色和内反射色三者有着不同的概念，应将它们区别开来。物 质的颜色是指肉眼下所见到的额色，它是物质对白光中七色波选择性吸收的结果 反射色是指物质的光滑表面或磨光面上，因选择性反射作用所造成的颜色，为表 色。内反射色是物质内部反射作用（包括光的干涉作用）所形成的颜色。由干三种 豌色的成因不同，在不同的物质上是现不同的特征，在同一个矿物上，其肉眼观察 的颜色（手标本上的颜色）与光片上的颜色以及薄片中的颜色都不一定相同。它 之闸又有相互的关系： 1)反射率R>40%的矿物，由于对入射光的暖数太强烈，一殷条件下没有内 反射作用.即见不到内反射色，这些物（所谓不透明矿物）的颜色与反射色是一致 的，它们的颜色主要决定于表色。 2)反射率在40%一3)%之间的矿物，其少数具有内反射，矿物的颜色多数仍 决定于表色 3)反射率在30%一20%，之间的矿物，具有一定的透明度，它们可以反射出 部分光，又可以透出一部分光，而且普遍具有内反射，它们的内反射与颜色一致，与 反射色互为补色 4)反射率R<20%的物，绝大多数为透明矿物，因此都有内反射，内反射色 为无色灰白色成由于白光的分解和干涉作用产生的彩色，与矿物的颜色一致 2.2.3光在品体中的传播 品体是具有格子构造的固体，拥有独特的对称性和各向异性。光在不同晶体 中传橘时也表现出不同的特点。自然光和偏振光在品体中的传播电不尽相同。根 据光在品体中不同的传播特点，可以把透明物质分为光性均质体和光性非均质体 两大类