Microscopio óptico de polarización
El examen microscópico de los cristales se realiza con el microscopio de polarización. Este instrumento, además de la óptica microscópica, tiene un cristal polaroide, denominado polarizador debajo de la platina que transmite luz polarizada N-S, y otro polaroide, denominado analizador, montado en el tubo situado encima de la platina, que transmite sólo la luz que vibra E-O.
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(Pinche sobre la zona del microscopio cuyo nombre y utilidad desee conocer. Le será explicada en el primer apartado al que le lleve el enlace)
A continuación se presenta un esquema simplificado que explica la trayectoria de la luz a través del microscopio óptico de polarización.
Componentes del microscopio óptico de polarización
OCULAR - el ocular contiene una lente, normalmente de 10x (aumentos), a través de la que se observa la lámina delgada de cristal. Posee una cruz enfocable que debería orientarse N-S y E-W.
Los aumentos con los que se observa el cristal son producto de el aumento del ocular y de los del objetivo. por ejemplo, si estamos estudiando un cristal usando el objetivo 4x, y el ocular es de 10x, el aumento total es de (4x) x (10x) = 40x.
Los aumentos con los que se observa el cristal son producto de el aumento del ocular y de los del objetivo. por ejemplo, si estamos estudiando un cristal usando el objetivo 4x, y el ocular es de 10x, el aumento total es de (4x) x (10x) = 40x.
LENTE DE BERTRAND - lente localizada en el tubo del microscopio, justo debajo del ocular. La lente trae el campo de visión de la figura de interferencia al plano del ocular.
ANALIZADOR - una placa de film polarizante o un prisma de nícol que pueda ser insertado o eliminado de la trayectoria de la luz. La dirección de vibración está a 90° del polarizador inferior. Cuando el polarizador y el analizador están situados a 90°, estamos viendo la sección cristalina con polarizadores o nícoles cruzados.
HENDIDURA ACCESORIA - permite la inserción de placas accesorias entre el ocular y los objetivos; orientada de tal manera que los accesorios se insertan a 45° de las direcciones de vibración preferentes del polarizador y analizador.
Las tres placas accesorias de uso más común son: la cuña de cuarzo, la placa de mica y la placa de yeso.
Las tres placas accesorias de uso más común son: la cuña de cuarzo, la placa de mica y la placa de yeso.
OBJETIVOS - primer sistema de aumento del microscopio. Los microscopios habituales tienen 3 ó 4 objetivos de diferentes aumentos sobre un revólver rotatorio que permite cambiar los aumentos de observación; normalmente 2.5x ó 5x, 10x, 20x y 40x ó 50x.
PLATINA - plataforma rotatoria donde se pone la sección delgada. La platina gira 360° y está calibrada para medidas de ángulos.
PLATINA - plataforma rotatoria donde se pone la sección delgada. La platina gira 360° y está calibrada para medidas de ángulos.
LENTES CONDENSADORAS - localizadas en el conjunto de debajo de la platina, estas lentes convierten los rayos paralelos de lusz en un cono convergente de rayos de luz.
Los microscopios están comúnmente equipados con dos lentes, una moderadamente convergente y otra que converge fuertemente la luz. Esta última se usa en conjunción con la lente de Bertrand para la determinación de la figura de interferencia.
Los microscopios están comúnmente equipados con dos lentes, una moderadamente convergente y otra que converge fuertemente la luz. Esta última se usa en conjunción con la lente de Bertrand para la determinación de la figura de interferencia.
DIAFRAGMA - iris localizado justo debajo de las lentes condensadoras que restringe la cantidad de luz que entra al condensador.
POLARIZADOR - convierte la luz no polarizada de la fuente en luz plano-polarizada. Normalmente está a 90° del plano del analizador. Cuando únicamente está insertado el polarizador, observamos la sección cristalina bajo luz polarizada plana.
La platina y el conjunto situado debajo de ésta pueden moverse arriba y abajo con un tirador situado en un extremo del conjunto subplatina)
FUENTE DE LUZ - normalmente una bombilla de baja potencia (6V, 15W), situada en la base del microscopio.
Un filtro azul está situado normalmente en el camino de la luz para convertir el color amarillento de la luz en un azul más neutral.
Un filtro azul está situado normalmente en el camino de la luz para convertir el color amarillento de la luz en un azul más neutral.
AJUSTE DE FOCO - grueso y fino, para separar y bajar la platina y el conjunto subplatina; eso cambia la distancia entre el objetivo y la platina. Para grandes aumentos (40-50x) hay muy poco recorrido entre el objetivo y la lámina delgada. Hay que ser cuidadoso con el foco para no romper la lámina delgada.
Observación general de los cristales al microscopio de polarización
Al grado con el que los granos minerales se quedan fuera del montaje normal de la lámina delgada (Bálsamo de Canadá, epoxy, etc.) se le denomina RELIEVE.
El montaje normal corresponde, según la analogía topográfica, a un n= 1,54 para el Bálsamo de Canadá y a un n=1,55 para la epoxy. Así, será:
RELIEVE (-): n < 1.54 (los granos parecen sumirse en el bálsamo)
RELIEVE (+): n>1.54 (los granos parecen destacarse del bálsamo)
El método más usual para determinar el relieve es la Línea de Becke:
El montaje normal corresponde, según la analogía topográfica, a un n= 1,54 para el Bálsamo de Canadá y a un n=1,55 para la epoxy. Así, será:
RELIEVE (-): n < 1.54 (los granos parecen sumirse en el bálsamo)
RELIEVE (+): n>1.54 (los granos parecen destacarse del bálsamo)
El método más usual para determinar el relieve es la Línea de Becke:
1. ¿Qué es la línea de Becke?
La línea de Becke es una banda o anillo visible en un borde de grano/cristal en luz plano-polarizada. se ve más claramente usando lentes de aumentos intermedios sobre el borde del grano, con el diafragma un poco cerrado.
¿Por qué aparece la línea de Becke?
Una línea de Becke es el resultado de dos hechos, ambos relacionados con la refracción a través de los bordes de grano:
a. El hecho de que los cristales en secciones delgadas tiendan a ser más espesos por el centro y más finos hacia los bordes hace que actuen como lentes (si el índice de refracción es mayor que el montaje medio los rayos convergen hacia el centro del grano; si el índice de refracción es inferior, los rayos divergen hacia el borde del grano)
La línea de Becke es una banda o anillo visible en un borde de grano/cristal en luz plano-polarizada. se ve más claramente usando lentes de aumentos intermedios sobre el borde del grano, con el diafragma un poco cerrado.
¿Por qué aparece la línea de Becke?
Una línea de Becke es el resultado de dos hechos, ambos relacionados con la refracción a través de los bordes de grano:
a. El hecho de que los cristales en secciones delgadas tiendan a ser más espesos por el centro y más finos hacia los bordes hace que actuen como lentes (si el índice de refracción es mayor que el montaje medio los rayos convergen hacia el centro del grano; si el índice de refracción es inferior, los rayos divergen hacia el borde del grano)
b. La reflexión interna de la luz dentro del cristal debido a la presencia de bordes de grano verticales.
Estos dos efectos concentran la luz en una fina banda dentro del cristal con un alto índice de refracción.
¿Para que se usa la línea de Becke?
Se usa para determinar el relieve de un cristal o grano en una sección delgada.
¿Cómo usar la línea de Becke?
El uso de la línea de Becke para determinar el relieve (positivo o negativo) es muy simple. Los pasos a seguir son los siguientes:
a. Asegurarse de que los polarizadores del microscopio no estén cruzados y de que tenemos luz plano-polarizada.
b. Seleccionar un cristal o grano que tenga bordes claros e incluidos en la lámina delgada.
c. Enfocar con objetivo intermedio o bajo sobre el borde del cristal o grano.
d. Cerrar un poco el diafragma.
Estos dos efectos concentran la luz en una fina banda dentro del cristal con un alto índice de refracción.
¿Para que se usa la línea de Becke?
Se usa para determinar el relieve de un cristal o grano en una sección delgada.
¿Cómo usar la línea de Becke?
El uso de la línea de Becke para determinar el relieve (positivo o negativo) es muy simple. Los pasos a seguir son los siguientes:
a. Asegurarse de que los polarizadores del microscopio no estén cruzados y de que tenemos luz plano-polarizada.
b. Seleccionar un cristal o grano que tenga bordes claros e incluidos en la lámina delgada.
c. Enfocar con objetivo intermedio o bajo sobre el borde del cristal o grano.
d. Cerrar un poco el diafragma.
e. Incrementar lentamente la distancia entre la sección delgada y el objetivo (desenfocar por alejamiento de la platina).
f. Veremos aparecer dos finas líneas en el borde del grano, una brillante (línea de Becke brillante o blanca) y una oscura (línea de Becke oscura). la línea de Becke brillante se mueve hacia el medio de mayor índice de refracción.
g. Un caso especial: Si el n del cristal o grano es aproximadamente igual que el n del bálsamo , las líneas brillante y oscura de Becke serán coloreadas.
En la primera foto se puede ver un borde de cristal y una línea de Becke (foto tomada a poca distancia del objetivo) y en la segunda, con la platina a mayor diatancia, puede verse la línea de Becke introducida en un cristal de biotita - este mineral tiene mayor índice de refracción.
f. Veremos aparecer dos finas líneas en el borde del grano, una brillante (línea de Becke brillante o blanca) y una oscura (línea de Becke oscura). la línea de Becke brillante se mueve hacia el medio de mayor índice de refracción.
g. Un caso especial: Si el n del cristal o grano es aproximadamente igual que el n del bálsamo , las líneas brillante y oscura de Becke serán coloreadas.
En la primera foto se puede ver un borde de cristal y una línea de Becke (foto tomada a poca distancia del objetivo) y en la segunda, con la platina a mayor diatancia, puede verse la línea de Becke introducida en un cristal de biotita - este mineral tiene mayor índice de refracción.
CRISTALES ÓPTICAMENTE ANISÓTROPOS
Cristales anisótropos bajo el microscopio
Al observar cristales uniáxicos, sólo veremos extinción cuando la luz incide paralelamente al eje c, z del cristal, o eje óptico. En los cristales biáxicos existen dos direcciones en las cuales la luz se propaga sin birrefringencia, dos ejes ópticos, donde veremos extinción. En las demás direcciones, la luz viaja como dos rayos con vibraciones mutuamente perpendiculares que difieren al cambiar la dirección cristalográfica.
Cuando los rayos que atraviesan el cristal entran en el analizador, cada uno se desdobla en un rayo ordinario (W) y otro extraordinario (E), cuyas direcciones de vibración concuerdan con las del analizador. Puesto que ambos rayos vibran en el mismo plano del analizador, interfieren entre sí.
El retardo representa la distancia a la que un rayo viaja respecto a otro. Se mide en nanómetros, 1nm = 10-7cm, o el número de longitudes de onda que una onda se retrasa respecto a otra.
Retardo (D )
A 45º de la posición de extinción, la relación entre estos rayos y su interferencia es:
1. Si el retardo es un número entero (i.e., 0, 1, 2, 3, etc.) de longitudes de onda, las dos ondas A y B, interfieren destructivamente, anulándose en el analizador.
2. Cuando el retardo es = ½, 1½, 2½ . . . longitudes de onda, las dos ondas interfieren constructivamente, atravesando el analizador.
tl = d/Vl (1)
durante este mismo intervalo de tiempo, el rayo rápido ha viajado una distancia adicional = RETARDO
tr = d/Vr + D/V (2)
sustituyendo 1 en 2, obtenemos:
d/Vl = d/Vr + D/V
despejando:
D = d (V/Vl - V/Vr )
como V/Vl = nl
D = d (nl - nr )
La relación entre (nl - nr) es la BIRREFRINGENCIA, cuyo valor máximo es característico para cada naturaleza cristalina (en nuestro caso, mineral). En minerales anisótropos, si la luz viaja a través del eje óptico, el cristal exhibe birrefringencia cero, otras trayectorias muestran la máxima birrefringencia, y, generalmente, se muestran birrefringencias intermedias.
La combinación de longitudes de onda que pasan el analizador produce los colores de interferencia, que dependen del retardo entre el rayo rápido y lento. El color de interferencia producido es dependiente de la longitud de onda de la luz que atraviesa el analizador y de las longitudes de onda que son anuladas. Así se produce un gran rango de colores. Esta tabla de colores se conoce como la Tabla de Michel Levy.
Desde la línea horizontal de 30 mm (espesor normal de la lámina delgada), y con un color de interferencia conocido, podemos leer sobre la línea diagonal correspondiente la birrefringencia. Esta propiedad ya sabemos que es muy específica de cada tipo de cristal y, por tanto, muy útil para identificarlos. Alternativamente, para una birrefringencia conocida, buscamos a través de la línea diagonal su intersección con la línea de espesor 30 mm y buscamos así el color de interferencia en un cristal dado.
Como el espesor estándar de los cristales es de 30 µm., la birrefringencia del cristal se obtiene despejando en la ecuación: D = d (nl - nr )
El reconocimiento del orden del color de interferencia mostrado por cada tipo de cristal llega con la práctica y la familiaridad.
Mediante las placas accesorias utilizadas con el microscopio de polarización, se producen interferencias en cantidad conocida y por tanto colores predeterminados que nos permiten evaluar el orden del color de interferencia del que se parte.
Cristales anisótropos bajo el microscopio (Uniáxicos-Biáxicos)
La determinación de la característica de cristal uniáxico o biáxico se obtiene con el estudio de los diferentes tipos de figuras de interferencia que se producen en el estudio de los cristales, dependiendo de que éstos sean de una naturaleza óptica u otra.
Para la observación de las figuras de interferencia se utiliza el modo CONOSCOPIO, con la lente de Bertrand y lente condensadora, de manera que sólo el rayo central del cono de luz incide normalmente y los distintos rayos del cono se propagan a lo largo de diferentes direcciones cristalográficas en el cristal. Así, por los rayos que se propagan a lo largo de diferentes direcciones se origina la figura de interferencia de manera que la salida de cada cono de igual retardo está marcada por una isocroma circular, compuesta por el color de interferencia de ese retardo.
En el cono de luz los rayos vibran paralelos a la dirección privilegiada del polarizador; sin embargo, después de pasar por el cristal, los rayos del cono de luz vibran en diversas direcciones, E, O y sus subsecuentes interferencias. Los rayos que han conservado la dirección de vibración N-S permanecerán extinguidos en el analizador, apareciendo en la figura de interferencia como unas cuñas extinguidas que se denominan isogiras.
Así, para obtener la figura de interferencia y puesto el microscopio en modo conoscopio (es vital que el objetivo de grandes aumentos esté centrado), el procedimiento es el siguiente:
1. Buscar granos con bajos aumentos (nícoles cruzados)
2. Asegurarnos de que no hemos enfocado sobre una grieta o impureza del grano
3. Cambiar a un aumento mayor y enfocar
4. De nuevo cambiar a un aumento mayor y enfocar
5. Insertar la lente de Bertrand y la lente condensadora y la figura de interferencia aparecerá.
1. Buscar granos con bajos aumentos (nícoles cruzados)
2. Asegurarnos de que no hemos enfocado sobre una grieta o impureza del grano
3. Cambiar a un aumento mayor y enfocar
4. De nuevo cambiar a un aumento mayor y enfocar
5. Insertar la lente de Bertrand y la lente condensadora y la figura de interferencia aparecerá.
Figuras de interferencia (uniáxica y biáxica)
Cristales uniáxicos
En cristales uniáxicos con incidencia de la luz a través del eje óptico, obtendremos la denominada figura de interferencia de eje óptico, en la que son visibles las cuñas extinguidas o cruz denominadaisogira, el punto central o melatopo, y, si se trata de minerales de alta birrefringencia (como calcita) visualizaremos las isocromas, reflejando la diferencia entre el alto (lento) y bajo (rápido) índices de refracción del mineral.
Las direcciones de vibración radiales a las isocromas indican las direcciones de vibración del rayo extraordinario (E), mientras que las líneas tangenciales indican las direcciones de vibración del rayo ordinario (O).
Si el eje óptico del cristal forma un ángulo con el eje del microscopio, la cruz negra (isogira) ya no queda simétricamente situada en el campo de visión. Cuando la platina se gira, el centro de la cruz se mueve siguiendo un camino circular, pero los brazos de la cruz permanecen paralelos a las direcciones de vibración del polarizador y analizador. Aunque el centro de la cruz no llegue a verse, los brazos siempre mantienen su paralelismo con los ejes de vibración de los polarizadores.
La figura flash se produce cuando el eje óptico es perpendicular al del microscopio. Se trata de una cruz mal definida que en posición de extinción ocupa la mayor parte del campo, y que al girar se desdobla en dos hipérbolas que abandonan rápidamente el campo de visión en aquellos cuadrantes que contienen el eje óptico
Los cristales son positivos si el rayo ordinario tiene la velocidad superior, y negativos si el rayo extraordinario tiene la velocidad superior. Para su determinación pueden usarse las placas de mica y yeso y lacuña de cuarzo, con una figura de interferencia uniáxica de eje óptico o en las figuras de interferencia de bisectriz aguda o eje óptico biáxicas.
Los cristales son positivos si el rayo ordinario tiene la velocidad superior, y negativos si el rayo extraordinario tiene la velocidad superior. Para su determinación pueden usarse las placas de mica y yeso y lacuña de cuarzo, con una figura de interferencia uniáxica de eje óptico o en las figuras de interferencia de bisectriz aguda o eje óptico biáxicas.
Estas placas accesorias están realizadas de minerales anisótropos con en espesor tal que originan un retardo determinado de la luz. Cuando se insertan en su camino, cambian el retardo de la luz que viaja a través de la sección delgada una cantidad específica, de manera que el color de interferencia resultante nos ayuda a identificar el mineral.
Las placas se insertan debajo del analizador, en una ranura del tubo del microscopio colocada de tal modo que cuando las láminas están en posición sus direcciones de vibración forman ángulos de vibración de 45º con las direcciones de vibración de los polarizadores.
Las placas se insertan debajo del analizador, en una ranura del tubo del microscopio colocada de tal modo que cuando las láminas están en posición sus direcciones de vibración forman ángulos de vibración de 45º con las direcciones de vibración de los polarizadores.
Como en la figura de interferencia de eje óptico de un cristal uniáxico, el rayo extraordinario vibra radialmente y el rayo ordinario tangencialmente, utilizando una placa auxiliar en la que se conocen las direcciones de vibración de los rayos lento y rápido, se puede saber si el rayo extraordinario del cristal es más lento (cristales +) o más rápido (cristales -) que el rayo ordinario.
Esto se determina observando si se produce refuerzo (adición) o disminución (sustración) de los colores de interferencia, en los cuadrantes en los que coincidan sus direcciones de vibración (lenta o rápida) con la marcada en la lámina (generalmente viene marcada la dirección de vibración del rayo lento, transversal a la placa).
SIGNO ÓPTICO POSITIVO
Al insertar la placa, los colores en el cuadrante superior izquierda e inferior derecha decrecen en color (sustración) desde gris de primer orden a amarillo de primer orden, mientras que en las zonas superior derecha e inferior izquierda aumenta (adición) desde gris de primer orden hasta azul de segundo orden.
Al insertar la placa, los colores en el cuadrante superior izquierda e inferior derecha decrecen en color (sustración) desde gris de primer orden a amarillo de primer orden, mientras que en las zonas superior derecha e inferior izquierda aumenta (adición) desde gris de primer orden hasta azul de segundo orden.
Se produce adición cuando los modos vibracionales radiales (extraordinario) son perpendiculares a la dirección de vibración marcada en la lámina (lenta) y sustración cuando los modos vibracionales tangenciales (ordinario) son paralelos a la dirección de vibración marcada en la lámina (lenta). Por tanto el rayo extraordinario es el rayo lento y el ordinario el rápido: SIGNO ÓPTICO POSITIVO
SIGNO ÓPTICO NEGATIVO
Al insertar la placa, los colores en el cuadrante superior derecha e inferior izquierda decrecen en color (sustración) desde gris de primer orden a amarillo de primer orden. Como el modo vibracional radial es el extraordinario y es paralelo al rayo lento de la placa, la sustración indica que el rayo extraordinario es el rápido: SIGNO ÓPTICO NEGATIVO.
Al insertar la placa, los colores en el cuadrante superior derecha e inferior izquierda decrecen en color (sustración) desde gris de primer orden a amarillo de primer orden. Como el modo vibracional radial es el extraordinario y es paralelo al rayo lento de la placa, la sustración indica que el rayo extraordinario es el rápido: SIGNO ÓPTICO NEGATIVO.
Por tanto, en las zonas superior izquierda e inferior derecha aumenta (adición) desde gris de primer orden hasta azul de segundo orden. En este caso, como el modo vibracional tangencial es el ordinario y es paralelo al rayo lento de la placa, la adición indica que el rayo ordinario es el lento.
Cristales biáxicos
El signo óptico de los cristales biáxicos se determina ópticamente en figuras de bisectriz aguda centrada, o de eje óptico centrado, con ayuda de placas auxiliares.
Figuras con la bisectriz aguda centrada: se observan en una placa cristalina cortada perpendicularmente a la bisectriz aguda. Hay cuatro posiciones, en un giro de 360º, en las que la figura consta de una cruz negra (isogiras), que contienen los lugares de emergencia de los rayos que se desplazan según los ejes ópticos del cristal (melatopos), y unas bandas circulares de colores de interferencia (isocromas). Elplano óptico se encuentra E-O, generalmente en el brazo delgado de la cruz.
Las isogiras se producen, al igual que en los cristales uniáxicos, cuando las direcciones de vibración privilegiadas, de los rayos que emergen del cristal en una figura de interferencia, son N-S o muy próximas.
Al girar la platina 45º, la cruz negra se desdobla en dos hipérbolas y las isocromas adquieren una forma oval. Los melatopos se sitúan en el centro de estas hipérbolas.
En un cristal negativo, los rayos que emergen entre las isogiras de una figura de interferencia de bisectriz aguda tienen una menor velocidad y aquellos que emergen fuera de las isogiras tienen una mayor velocidad. Si se superpone la placa de yeso sobre tal figura, el rayo lento de la placa se combina con el rayo rápido del cristal y la sustracción de los colores de interferencia produce un color amarillo en los lados convexos de las isogiras y azul por adición en los lados cóncavos.
En un cristal positivo se ve el efecto de color inverso.
Figuras con el eje óptico centrado: en las que el eje óptico emerge como un melatopo en el centro del campo visual incluido en una rama hiperbólica, que será convexa hacia la bisectriz aguda y cóncava hacia la obtusa. Girando 45 el brazo delgado de la cruz señala la traza del plano óptico en el campo visual y el cruce de brazos de la cruz la bisectriz aguda.
Al igual que en las figuras de bisectriz aguda, en un cristal negativo, los rayos que emergen en el lado convexo de las isogiras tenen una menor velocidad y aquellos que emergen en el cóncavo tienen una mayor velocidad. Si se superpone la placa de yeso sobre tal figura, el rayo lento de la placa se combina con el rayo rápido del cristal y la sustracción de los colores de interferencia produce un color amarillo en el lado convexo de la isogiras y azul por adición en el lado cóncavo. En un cristal positivo se ve el efecto de color inverso.
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