MIKROSKOPIE 1 Unterlagen zur Lehrveranstaltung 620.108

MIKROSKOPIE 1
Unterlagen zur Lehrveranstaltung 620.108
Stand: SS 2006
Zusammengestellt von
ao.Univ.Prof. Dr. J.G. Raith
LV 620.108 Mikroskopie 1
DURCHLICHTMIKROSKOPIE
Ziele der Lehrveranstaltung
• Bestimmen der wichtigsten gesteinsbildenden Minerale im Durchlichtmikroskop
• Beschreibung und Dokumentation von Gefüge- und Texturbeziehungen im Mikrobereich
• Erlernen der Methodik des Mikroskopierens
• Vertiefen der Kenntnisse in Mineraloptik
Das Mikroskopieren ist eine der wichtigsten Arbeitsmethoden der Geowissenschaften und Sie
werden die in diesem Kurs vermittelten Grundkenntnisse noch in vielen anderen
Lehrveranstaltungen und wahrscheinlich auch nachher in ihrem Beruf brauchen!
Das Polarisationsmikroskop
In der Mineralogie verwendete Durchlichtmikroskope zeichnen sich dadurch aus, daß mit
ihnen nicht nur Präparate (z.B. Mineralkörner eines Dünnschliffes) unter starker
Vergrößerung betrachtet werden können. Durch die Verwendung von polarisiertem Licht und
der Möglichkeit Minerale unter gekreuzten Polarisatoren zu studieren, eröffnen sich viele
Möglichkeiten verschiedene optische Eigenschaften von Mineralen zu bestimmen. Diese
Eigenschaften erlauben oft eine eindeutige Mineraldiagnose mit relativ einfachen Mitteln.
Wesentliche Information zum Gefüge von Gesteinen ist oft nur mikroskopisch zu erhalten
(z.B. feinkörnige Vulkanite).
Bei der Durchlichtmikroskopie wird üblicherweise mit "weißem", linear polarisiertem Licht
gearbeitet, das mit Hilfe von Polarisationsfiltern erzeugt wird.
Frischen Sie Ihre Kenntnisse in Physik auf!
Schlagworte:
• Wellentheorie des Lichtes nach der Theorie von Maxwell; Licht als
elektromagnetische Welle
• sichtbare Wellenlänge des Lichtes: weißes Licht (395-760 nm),
• monochromates Licht: bestimmte Wellenlänge (z.B. blau 450 nm, grün 550 nm, rot
700 nm)
• normales Licht, linear polarisiertes, zirkular und elliptisch polarisiertes Licht
J.G. Raith
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Lichttheorien
A. Wellentheorie
C. Huygens (1629-1695): Begründer der Wellenlehre; Huygenssches Prinzip
J. Maxwell (1831-1879): Theorie des Lichts als elektromagnetische Welle
B. TEILCHENTHEORIE
I. Newton
M. Planck
(1643-1727): Begründer der Korpuskular- oder Teilchentheorie
(1858-1947): Quantentheorie
Ad. A.
•
•
•
Elektromagnetische Welle besteht aus zwei senkrecht aufeinander schwingenden
Sinuswellenzügen. Der Ausschlag (= Amplitude) entspricht der elektrischen bzw.
magnetischen Feldstärke
Die beiden Wellen schwingen in Phase
Gewöhnlich wird nur die elektrische Komponente betrachtet.
Bezeichnungen:
• Wellenlänge λ = kürzester Abstand von zwei Punkten im gleichen
Schwingungszustand
• Schwingungsdauer T = Zeit in der eine Schwingung ausgeführt wird
• Frequenz ν = Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit; Anzahl pro s = Hertz (Hz)
• Wellengeschwindigkeit; abhängig vom Medium! ; im Vakuum c = 2.998 * 108 ms-1
c/λ = ν = 1/T
Wellentheorie ist besonders geeignet zur Erklärung von
• Interferenz
• Polarisation
J.G. Raith
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Abb. 1.1. Wellentheorie des Lichts
J.G. Raith
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Einige Bemerkungen zum Mikroskopieren
Vor dem Beginn des eigentlichen Mikroskopierens sollten Sie die Bestandteile eines
Mikroskops kennen.
Übung: Benennen Sie die wichtigsten Teile des Durchlichtmikroskops (Olympus BX40) in
Abb. 1.3. Prägen Sie sich die Namen der wichtigsten Bestandteile ein!
1. Nachdem Sie die Lichtquelle des Mikroskops eingeschaltet haben, prüfen Sie, ob die
Kondensor-Hilfslinse und die Bertrand-Amici Linse ausgeklappt sind. Diese werden nur beim
konoskopischen Strahlengang ("Achsenbild") verwendet.
2. Öffnen Sie die Kondensor-Aperturblende.
3. Klappen Sie den A n a l y s a t o r aus. Bei eingeklapptem Analysator (gekreuzte
Polarisationsfilter) bleibt das Gesichtsfeld, wenn sie kein Präparat auf dem Objekttisch liegen
haben, dunkel! Dann sind die Pol. Filter exakt 90° gekreuzt.
4. Nachdem Sie einen Dünnschliff auf dem Objekttisch postiert haben – mit der richtigen
Seite, also mit dem Deckglas nach oben! – überprüfen Sie, ob die Objektive zentriert sind.
Falls erforderlich zentrieren sie diese bzw. den Objekttisch, nachdem ein Betreuer Sie
diesbezüglich eingewiesen hat. Dies ist vor allem bei den Objektiven mit stärkerer
Vergrößerung nötig (z.B. Erstellung eines Achsenbild). Zum Wechsel der Objektive nicht am
Objektivrevolver-Ring drehen (Gefahr des Dezentrierens!)
Das mikroskopische Präparat - Der Dünnschliff
Die meisten gesteinsbildenden Minerale sind bei einer Dicke von <30µm durchsichtig und
können im Durchlicht untersucht werden (=Durchlichtmikroskopie). Solche die es nicht sind,
wie z.B. viele Erze, werden als opak bezeichnet. Sie können nicht im Durchlicht, sondern nur
im Auflicht untersucht werden (=Auflichtmikroskopie).
Das Präparat wird auf einen Glasträger (Standardgröße 4.5 x 2,7 cm) aufgeklebt (mit
Zweikomponentenkleber, Kanadabalsam, Araldit etc.), durch Schleifen (diverse Schleifmittel,
wie Korund, Diamant) auf eine Dicke von ca. 25-30 µm gebracht und schließlich mit einem
sehr dünnen Glasplättchen (Deckglas) abgedeckt. Die praktische Herstellung eines
Dünnschliffes erlernen Sie in den Geowissenschaftlichen Arbeitsmethoden.
Abb. 1.2. Schema eines Dünnschliffs
J.G. Raith
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Das Olympus BX40 Polarisationsmikroskop
Abb. 1.3. Olympus BX 40 Polarisationsmikroskop
J.G. Raith
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Welche Eigenschaften bzw. Parameter können zur Bestimmung verwendet
werden?
Morphologische Angaben
1)
Umgrenzung von Kornschnitten
2)
Proportionen von Kornschnitten und Raumgestalt
3)
Zwillinge
4)
Spaltbarkeit
5)
Zonarstrukturen, Einschlüsse
Optische Parameter
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Höhe der Lichtbrechung (Brechungsindices, Relief)
Eigenfarbe, Pleochroismus
Optische Isotropie bzw. Anisotropie
Interferenzfarben und Doppelbrechung
Lage und Bezeichnung der Schwingungsrichtungen
Optischer Charakter (einachsig - zweiachsig, positiv - negativ)
Achsenwinkel
Dispersion der Achsen und der Lagen
Beziehungen zwischen optischen und morphologischen Eigenschaften
1)
Auslöschungsschiefe
2)
Lage der optischen Achsen und Achsenebene
3)
Zonencharakter
Nur Mut! Wir besprechen diese Begriffe während der nächsten Kurse. Am Ende des
Praktikums werden Sie wissen, was sie bedeuten und wie Sie Beobachtungen dazu
systematisch machen und dokumentieren!
J.G. Raith
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Durchsichtige - undurchsichtige (= opake) Minerale
Undurchsichtige = opake Minerale: sind auch bei geringer Dicke im Dünnschliff
undurchsichtig
 Untersuchung mittels Auflichtmikroskopie, Erzmikroskopie
Durchsichtige Minerale: im Dünschliff durchsichtig
 Untersuchung mittels Durchlichtmikroskopie
1. optisch isotrope Kristalle
2. optisch anisotrope Kristalle
Erkennen von Isotropie - Anisotropie
In Abhängigkeit von der Gitterstruktur eines Minerals liegt bei vielen Kristallen eine
Richtungsabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes vor (optische
A n i s o t r o p i e ! ). Es lassen sich zwei normal aufeinander schwingende Teilstahlen
unterscheiden, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen. Ein schnellerer
(=mit niedrigere Lichtbrechung nα´), und ein langsamerer (=höherere Lichtbrechung nγ´).
Isotrope Medien (z.B. Gläser, kubische Minerale wie etwa Granat) zeigen keine
richtungsabhängige Ausbreitung des Lichtes.
Diagnose: Bei gekreuzten Polarisationsfiltern bleiben isotrope Kristalle dunkel.
Anisotrope zeigen 4x Dunkel- und 4x maximale Aufhellungsstellung! Dunkelstellung bei
0, 90, 270, 360°, Hellstellung bei 45, 135, 225, 315°.
Strahlengang im Mikroskop
Das Köhler’sche Beleuchtungsverfahren ermöglicht die Betrachtung des Minerals unter zwei
verschiedenen Gesichtspunkten.
Orthoskopische Abbildung: ermöglicht vor allem die Strukturanalyse des Dünnschliffs.
Konoskopische Abbildung: ermöglicht die Analyse der Lichtwellen in verschiedenen
Richtungen des einzelnen Minerals; v.a. Achsenbilder und Bestimmung des optischen
Charakters.
J.G. Raith
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BEOBACHTUNGEN MIT EINFACH LINEAR POLARISIERTEM
LICHT
A. Morphologische Eigenschaften
Umgrenzungen von Kornschnitten
Zur Beschreibung, inwieweit kristallographische Flächen an einem Mineralkorn ausgebildet
sind, werden die Begriffe idiomorph, hypidiomorph und xenomorph verwendet (Abb. 1.4.).
idiomorph (euhedral): alle beobachtbaren Grenzflächen sind gerade Flächen
hypidiomorph (subhedral): nur ein Teil der Grenzflächen ist schön ausgebildet
xenomorph (anhedral): keine ausgebildeten Grenzflächen erkennbar
Abb. 1.4. Kornumrisse bei Schnitt durch a ein idiomorph, b ein hydpidiomorph und c ein xenomorph
ausgebildetes Mineralkorn
Kornschnitte und Raumgestalt
Die räumliche Ausbildung eines Minerals ergibt sich aus den Proportionen der verschiedenen
Korndurchschnitte einer Mineralart.
1. Isometrische (äquidimensionale) Ausbildung: Flächenausdehnung nach allen Richtungen
annähernd gleich; z.B. alle kubischen Kristalle.
2. Anisometrische (nicht äquidimensionale) Ausbildung: Flächenausdehnung
richtungsabhängig verschieden; z.B. lang gestreckte, prismatische Kristalle; nichtkubische
Kristalle.
J.G. Raith
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Abb. 1.5. Schnittlagen durch Kristalle verschiedener Kristallsysteme (aus Puhan, 1994)
Mit etwas Erfahrung kann aus mehreren Schnittlagen eines Minerals auf das Kristallsystem
geschlossen werden. Man beachte, daß im Mikroskop immer ein zweidimensionales Bild
beobachtet wird, während sich ein Kristallsystem auf ein dreidimensionalen Körper
(eigentlich dessen Achsenkreuz etc.) bezieht. Daher immer mehrere Schnittlagen einer
Mineralart, aber auch andere Kriterien, wie die Auslöschungsschiefe, in Betracht ziehen!
J.G. Raith
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B. Spaltbarkeit
Spaltbarkeit ist die gitterbedingte "Neigung" von Mineralen sich bei mechanischer
Einwirkung entlang bestimmter kristallographischer Flächen aufzuspalten. Es entsteht meist
eine Schar paralleler Spaltrisse. Ein Mineral kann Spaltbarkeit nach einer Richtung bzw.
nach mehreren Richtungen zeigen. Die Qualität der Spaltbarkeit kann folgendermaßen
beschrieben werden:
sehr vollkommen (vv)
vollkommen (v)
gut (g)
deutlich (d)
schlecht (schl)
Bei mehreren vorhandenen Spaltrichtungen kann auch der Winkel den die Spaltflächen
einschließen gemessen und angegeben werden. Dieser Winkel ist z.T. diagnostisch für
bestimmte Mineralgruppen (z.B. Unterscheidung von Amphibolen - Pyroxenen!).
Abb. 1.6. Erklärung der Spaltbarkeit an Pyroxenen und Amphibolen
J.G. Raith
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C. Lichtbrechung
Lichtbrechung in optisch isotropen Medien
Das Brechungsgesetz nach Snellius (1615)
Bitte Bezeichnungen in der Skizze vervollständigen!
Abb. 1.7. Huygensches Konstruktionsprinzip des Brechungsgesetzes beim Übergang zwischen zwei
isotropen Medien
Relief und Chagrin
Eine erste Abschätzung der Lichtbrechung erfolgt auch über die Beobachtung des Relief s
bzw. des Chagrins. Ein farbloses Mineral tritt in seinem Erscheinungsbild umso stärker aus
der Umgebung anderer Mineralkörner hervor, je mehr sich sein Brechungsindex (n) von
jenem der Umgebungsminerale unterscheidet. Minerale mit wesentlich höherem n treten
scheinbar positiv, solche mit niedrigerem n negativ hervor. Dies wird als positives bzw.
negatives Relief bezeichnet.
Chagrin beschreibt eine beobachtbare "unregelmäßige" Internstruktur an Mineralkörnern mit
hoher Lichtbrechung, die umso deutlicher wird je höher n ist. Sie kommt durch diffuse
Reflexion, Beugung etc. an Unebenheiten der Schliffober- und -unterseite (feine Ausbrüche,
Risse) zustande. Ein Mineral das durch hohes Relief und Chagrin gekennzeichnet ist, wäre
z.B. Granat.
J.G. Raith
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Becke Lichtline
Beim praktischen Mikroskopieren reicht zumeist die Bestimmung der relativen
Lichtbrechungsunterschiede zweier aneinander angrenzender Minerale aus. Die einfachste
Methode die relative Lichtbrechungsunterschiede zu bestimmen ist mittels der BeckeLichtlinie.
Vorgangsweise zur Bestimmung der Becke-Lichtlinie
Wählen Sie einen geeigneten Kornkontakt aus
Prüfen Sie, ob der Analysator ausgeklappt ist
Wählen Sie eine mittlere Vergrößerung (z.B. Objektiv 20 od. 25)
Fokussieren Sie das zu untersuchende Korn
Schließen Sie die Aperturblende an der Kondensoreinheit (das Relief des Kornes wird
dadurch noch deutlicher hervorgehoben)
Defokussieren und fokussieren Sie das Korn mehrfach durch rasches Drehen am
Feintrieb. Sie sollten dabei eine zarte wandernde Lichtlinie an der Korngrenze sehen.
Wenn sie den Abstand zwischen Tisch und Objektiv vergrößern, indem sie den Tisch
senken, wandert diese Linie in das Korn mit der höheren Lichtbrechung!
Abb. 1. 8. Lage der Becke Linie bei etwas angehobener Fokussierebene des Mikroskopobjektivs. Das
obere Korn ist höher lichtbrechend als die Umgebung. Die Lichtlinie liegt am inneren Rand des Korns.
Beim unteren Korn liegt die Lichtlinie außen und zeigt, daß die Umgebung höher lichtbrechend ist
Immersionsmethoden
Die genaue Bestimmung der Größe des/der Brechungsindizes erfolgt indirekt durch
Einbettungs- (Immersions-) methoden. Hierzu wird die Brechung der Umgebung des Körpers
im Vergleich mit Flüssigkeiten genau bekannter Lichtbrechung durch sukzessives Angleichen
ermittelt. Die Lichtbrechung der Flüssigkeit wird schließlich mit Refraktometern (Jelley- oder
Abbe-Refraktometer) bestimmt.
J.G. Raith
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D. Eigenfarbe und Pleochroismus
Im Durchlichtmikroskop können nur Minerale, die bei einer Dicke von ca. 20-30 µm
durchsichtig sind, untersucht werden. Dies sind z.B. die meisten Silikate, Karbonate.
Minerale, die auch bei so geringer Dicke undurchsichtig sind, werden als opake Minerale
bezeichnet. Dies sind sehr häufig Erzminerale (Sulfide, viele Oxide), aber auch Graphit und
andere feste organische Verbindungen („kohlige Substanz“). Opake Phasen können nur im
Auflichtmikroskop näher bestimmt werden.
Bei durchsichtigen Mineralen sind bei einfach polarisiertem Licht (//N) farblose von
Mineralen mit Eigenfarbe zu unterscheiden. Eigenfarbe ist eine Folge von Absorption
bestimmter Wellenlängen des Lichts in einem Kristallgitter.
Isotrope (kubische)Kristalle:
Keine Richtungsabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. der Absorption von
Lichtwellen im Gitter. Immer farblos oder nur eine Farbe beobachtbar; keine Änderung!
Anisotrope (nicht kubische) Kristalle:
Richtungsabhängige Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen bzw. der
Absorption im Gitter. Daher unterschiedliche Eigenfarbe in verschiedenen Richtungen
beobachtbar = Pleochroismus. Erkennbar beim Drehen des Tisches am Mikroskop bei //N.
Dichroismus: zweifarbig; alle Wirtelkristalle (tetragonal, hexagonal, trigonal.)
Trichroismus: dreifärbig; alle niedrig symmetrischen Kristalle (rhombisch, monoklin,
triklin)
Für die praktische Arbeit ist es wesentlich die Farbe des Pleochroismus einer
Schwingungsrichtung zuzuordnen (siehe Praktikum 2).
J.G. Raith
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LV 620.108 Mikroskopie 1
Empfohlene Literatur zum Nachlesen und Nachschlagen
Deer W. A., Howie R. A. and Zussmann J. (1992): An introduction to the rock-forming
minerals. Hong Kong (Longman). 2 nd edition, 696 p.
Gribble C. D. and Hall A.J. (1992) A practical introduction to optical mineralogy. London,
(Chapman & Hall), 249 p.
Müller G. und Raith M. (1973): Methoden der Dünnschliffmikroskopie. Clausthaler
Tektonische Hefte, 14, 131 p.
MacKenzie W. S. und Guilford C. (1980): Atlas gesteinsbildender Minerale in Dünnschliffen.
Stuttgart (Enke), 97 p.
Nesse, W.D. (1991): Introduction to Optical Mineralogy. 2nd edition. Oxford Press,335 p.
Pichler H. und Schmitt-Riegraf C. (1987). Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff.
Stuttgart (Enke), 230 p.
Puhan D. (1994). Anleitung zur Dünnschliffmikroskopie. Stuttgart (Enke), 172 p.
Tröger W. (1982): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale. Teil 1 und 2.
Stuttgart (Schweitzerbart)
J.G. Raith
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