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Verfahren zur Bestimmung der Brechzahl fester Stoffe, die in Form von durchsichtig gon- schliffen vorliegen, und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Brechzahl (Brechungsindex) ist neben der Doppelbrechung und andern optischen
Eigenschaften eines der wichtigsten Merkmale zur Bestimmung natürlicher oder künstlicher
Minerale. Zur Bestimmung der Doppel- brechung und anderer optischer Merkmale werden aus den untersuchten Mineralen oder
Gesteinen Dünnschliffe angefertigt, die man jedoch nicht zur Bestimmung der Brechzahl nach der üblichen Immersionsmethode ver- wenden kann, da diese Präparate aus zer- stossenem Material verlangt. (Beck'sche Met- hode). Dabei ist die Feststellung der Identität zwischen Mineralkörnern im Dünnschliff ei- nerseits und im Präparat anderseits oft äusserst schwierig.
Der Dünnschliff wird beim Herausbrechen von Körnchen oft be- schädigt. Deshalb wurde in der deutschen
Patentschrift Nr. 567149 ein Spezialinstru- ment, Mikroskoprefraktometer, vorgeschlagen, welches die Notwendigkeit der Herstellung eines Präparates aus zerstossenem Material erübrigen soll. Dieses Gerät enthält jedoch eine erhebliche Anzahl optischer Bauelemente von kleinstem Ausmass, die zum Zwecke der
Messung beweglich angebracht sind, so dass die Konstruktion des Gerätes ziemlich kom- pliziert, kostspielig und empfindlich ist. Ferner kann das erwähnte Gerät für andere mineralogische Messungen nicht verwendet wer- den.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Brechzahl fester Stoffe, die in Form von durchsichtigen Dünnschliffen vorliegen, unter Verwendung jedes üblichen Mikroskops für Auf- oder Durchlicht, insbesondere eines Polarisationsmikroskops, welches durch eine sehr einfache Zusatzeinrichtung ergänzt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsstrahlenbündel eines Mikroskops, vorzugsweise Polarisationsmikroskops, für Auf- und Durchlicht in das Mikroskopobjektiv nach drei Reflexionen gelangt, von denen die erste und dritte an zweckmässig geneigten ebenen Spie- gelflächen erfolgt, hingegen die zweite ag einer mit Immersionsflüssigkeiten bekannter Brechzahlen bedeckten Grenzfläche des go- prüften Dünnschliffes stattfindet, wobei nach einander Immersionsflüssigkeiten mit verschiedener Brechzahl auf den Dünnschliff aufgebracht werden, bis die zweite Reflexion in eine Brechung in den Dünnschliff hinein umschlägt.
Die Vorrichtung zur Durchführung des angeführten Verfahrens besteht erfindungsgemäss aus zwei Lamellen, deren als ebene Spiegelflächen ausgebildete abgeschrägte Kanten die Wände einer Kammer für die Immersionsflüssigkeiten bilden, und aus zwei Planparallelplatten, von denen mindestens eine durchsichtig und gegebenenfalls von einer Blende teilweise abgedeckt ist, wobei die angeführten Teile mitsamt dem Dünnschliff in einem gemeinsamen Halter, welcher wie ein normales Präparat auf den Mikroskopisch aufgelegt wird, untergebracht sind.
Der Erfindungsgedanke soll nun an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert : werden. Dabei zeigen in der Zeichnung Fig.
1 das Schema des physikalischen Prinzips
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ordnungen bei der Verwendung eines Auflichtmikroskops, die Fig. 4 und 5 zwei An- ordnungen bei der Verwendung eines Durchlichtmikroskops, Fig. 6 eine beispielsweise Ausführungsform der Vorrichtung in Anordnung nach Fig. 2, Fig. 7 das Gesichtsfeld eines Auflichtmikroskops bei Anordnung nach den Fig. 2 und 3 und Fig. 8 das Gesichtsfeld eines Durchlichtmikroskops bei Anordnung nach Fig. 5.
Gemäss Fig. 1 besteht das physikalische Prinzip der Erfindung in der Bestimmung des s Grenzwinkels der Totalreflexion an der Grenzfläche r zweier optischer Medien, von denen das erste die Immersionsflüssigkeit i mit der bekannten Brechzahl n, hingegen das zweite das geprüfte Mineral m mit der noch
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unbekannten Brechzahl n'ist. Wenn auf die Grenzfläche r in irgend einem Punkte II ein Lichtstrahlenbündel a unter dem vom Einfallslot k aus gemessenem Winkel a einfällt, erfolgt im wesentlichen entweder nur Reflexion in der Richtung a'oder nur Brechung in der Richtung a".
Der Grenzfall tritt ein, wenn der Winkel a Grenzwinkel der Totalreflexion wird, für welchen die Beziehung gilt :
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Aus dieser Gleichung lässt sich bei konstantem Winkel os und bekannter Brechzahl n die gesuchte Brechzahl n'berechnen. Praktisch wird dies so durchgeführt, dass zuerst eine Immersionsflüssigkeit il mit der Brechzahl n, gefunden wird, bei der noch Brechung erfolgt, und hierauf eine Immersionsflüssigkeit mit der der Brechzahl ni möglichst nahe liegenden Brechzahl ? ;, bei der schon Totalreflexion eintritt.
Für den Wert n der obigen Gleichung gilt dann : n, < n < n2'
Der Winkel CG ist vorteilhafterweise nur um wenig kleiner als 900 zu wählen, denn dadurch wird die obere Grenze der Werte n', die noch mittels der üblichen Immersionen gemessen werden können, so hoch wie möglich gehalten. Immersionsflüssigkeiten mit besonders hoher Brechzahl sind nur schwierig herstellbar. Ausserdem wird dadurch die Genauigkeit der Messergebnisse weniger abhängig von der genauen Einhaltung des Winkels CG, den die Differentiation des obigen Ausdruckes nach CG ergibt
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woraus ersichtlich ist, dass eine Abweichung im genauen Werte des konstanten Winkels a sich destoweniger in der Genauigkeit des ermittelten Wertes für n'wiederspiegelt, je mehr sich der Winkel a dem Werte 900 nähert.
Da erfindungsgemäss das Lichtstrahlenbündel a vor dem Auffall an der Stelle II, an der Stelle I der ebenen Spiegelfläche 21 reflektiert wird, kann durch geeignete Wahl des Winkelwertes für a weitgehend eine herstellungsmässig bedingte Ungenauigkeit des Winkels'c der Neigung der Spiegelfläche 21 ausgeschaltet werden. Ein Wert von 84 -85 , dem ein Kosinuswert von annähernd 5, 10-3 entspricht, erscheint daher für den Winkel a als besonders vorteilhaft.
Die Messergebnisse werden noch erheblich verschärft und - vervollständigt, wenn man statt eines gewöhnlichen Mikroskops ein Polarisationsmikroskop verwendet, welches sich wohl in jedem mineralogischen oder petrographischen Laboratorium befindet. Die Kristallfärbung ermöglicht eine mühelose Orientation im Dünnschliff, wobei die Brechzahlbestimmung unmittelbar folgen kann. Es ist also möglich, mittels der Färbung ein nach einer Hauptachse orientiertes Kristall herauszusuchen und die Brechzahl zu dieser Achse zu bestimmen. Eine solche Möglichkeit besteht bei einem Präparat aus zerstossenem Material nicht.
Bei doppelt brechenden Mineralen wird die Brechzahl mittels polarisierten Lichtes eindeutig bestimmt, die Winkel zwischen den ermittelten optischen Achsen können an der Teilung des Mikroskoptisches abgelesen werden, die Achsenlage kann während der Messung durch das Achsenbild kontrolliert werden und anderes mehr.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 tritt aus dem Objektiv 30 eines Auflichtmikroskops das
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a21 reflektiert, zum zweiten Mal an der Stelle II des Dünnschliffes 22, und zum dritten Mal an der Stelle III der zweiten Spiegelfläche 23, wonach es in das Objektiv 30 zurückkehrt.
Der Raum über dem Dünnschliff 22 wird nacheinander mit verschiedenen Immersionsflüssigkeiten angefüllt, wie schon früher beschrieben. Die ebenfalls für Auflichtmikroskope bestimmte Anordnung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig.
2 dadurch, dass beide Spiegelflächen 21, 23 und die Immersionsflüssigkeiten i sich unterhalb des Dünnschliffes 22, der vom Strahlenbündel a vor dessen erster Reflexion und nach dessen dritter Reflexion durchsetzt wird, befinden. Eine Planparallelplatte 14, die in diesem Falle nicht durchsichtig sein muss, verhindert das Herausfliessen der Immersionsflüssigkeiten.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung für den Gebrauch bei Durchlichtmikroskopen. Das aus einer nicht eingezeichneten Lichtquelle austretende Strahlenbündel a durchsetzt den Dünnschliff 22 und gelangt nach drei Reflexionen an den Stellen I, II, III in das Mikroskopobjektiv 30. Störendes Licht wird durch eine Blende 16, welche bis über die Unterkante der Spiegelfläche 23 reicht, abgefangen.
Die in Fig. 5 gezeigte und ebenfalls für Durchlichtmikroskope bestimmte Anordnung ist eine Kombination der Anordnungen nach den Fig. 2 und 4. Die Planparallelplatte 14, die in diesem Falle durchsichtig sein muss, verhindert das Herausfliessen der Immersionsflüssigkeiten. Störendes Licht wird durch die Blende 16, welche bis unter die Oberkante der Spiegelfläche 21 reicht, abgefangen.
Die in Fig. 6 veranschaulichte beispielsweise Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung entspricht der Anordnung nach Fig.
2 und besteht aus zwei Lamellen 11, 12 deren abgeschrägte Kanten als Spiegelebenen 21, 23,
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grenzung und reicht über den Rand'der Spiegelfläche 23 hinaus. Es ist daher möglich, gleichzeitig zwei einander ausschliessende Erscheinungen zu beobachten, was für die mineralogische Praxis von grossem Vorteil ist.
Den grössten Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens bildet jedoch die Tatsache, dass die Brechzahlbestimmung während der andern üblichen mineralogischen Untersuchungen vorgenommen werden kann. Dies bedeutet nicht nur eine Zeitersparnis, sondern ermöglicht in erster Linie eine absolut sichere Identifizierung der Mineralkörner.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Bestimmung der Brechzahl fester Stoffe, die in Form von durchsichtigen Dünnschliffen vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsstrahlenbündel (a) eines Mikroskops, vorzugsweise Polarisationsmikroskops, für Auf- oder Durchlicht in das
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gegen die zweite (II) an einer mit Immersionsflüssigkeiten (i) bekannter Brechzahlen (n) bedeckten Grenzfläche des geprüften Dünnschliffes (22) stattfindet, wobei nacheinander Immersionsflüssigkeiten mit verschiedener Brechzahl auf den Dünnschliff (22) aufgebracht werden, bis die zweite Reflexion (II) in eine Brechung in den Dünnschliff (22) hinein umschlägt.