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Polarisationsmikroskop

1. Allgemein

Ein Polarisationsmikroskop ist ein spezielles Lichtmikroskop, welches linear polarisiertes Licht mit Polarisatoren erzeugt und analysiert. So wird die Doppelbrechung bei optisch anisotropen Mineralen deutlich sichtbar, aber auch optische Aktivitäten können bestimmt werden.. Es dient Petrographen für die kristalloptische Analyse (das mikroskopische Studium) der Gesteine, ihrer Minerale und ihres Gefüges.

Durchsichtige Minerale der Gesteine werden in Dünnschliffen (ca. 0,02 mm) oder als Pulver untersucht. Zu den optischen Eigenschaften, die in dem zu untersuchenden Mineral bestimmt werden können, gehört neben dem Brechungsindex oder den Hauptbrechungsindizes auch die Doppelbrechung (Birefringenz), welche mit Hilfe des Polarisationsmikroskopes im durchfallenden Licht bestimmt wird.

Wichtiges Zubehör ist der Universaldrehtisch mit Achse (u.a. 4-achsig) normal zum Schliff, Hilfs-, Vertikal- und Horizontalachse. Mit dieser Methode können selbst kleinste Kristallkörner von einigen hundertstel Millimetern, die in Dünnschliffen als durchsichtige Einschlüsse vorkommen, genau untersucht und ggf. bestimmt werden.


2. Funktionsweise bei gekreuzten Polarisatoren

Wenn linear polarisiertes Licht ein durchsichtiges, optisch anisotropes Mineral im Dünnschliff durchquert, wird der Lichtstrahl in zwei senkrecht zueinander schwingende Lichtwellen geteilt, gemäß den unterschiedlichen Brechungsindizes. Es entsteht elliptisch polarisiertes Licht. Das ist in der folgenden Skizze dargestellt.

BILD:1217356883

Rot ist die Indikatrix, das "Brechungsindex-System", dargestellt. Der blaue Doppelpfeil deutet die Schwingungsrichtung des linear polarisierten Lichts an. Gemäß den beiden Hauptbrechungsindizes, ne und no wird das linear polarisierte Licht in ein elliptisch polarisiertes Licht mit den Schwingungsrichtungen parallel zu ne und no zerlegt.

Wenn die Hauptachsen der Indikatrix schief zu der Schwingungsebene des Polarisators und dazu senkrechten des Analysator liegen, so wird der Dünnschliff aufgehellt, eine Komponente des elliptisch polarisierten Lichts kann den Anlysator passieren. Im Gegensatz dazu, wenn die Schwingungsebenen parallel zu denen des Polarisators und des Analysators sind, kommt es zur Auslöschung. Das linear polarisierte Lciht wird nicht zu elliptisch polarisiertem Licht. Wird der Objekttisch gedreht, kommt es im Analysator bei Kristallen ohne optische Aktivität und einer Doppelbrechung zu steigender Interferenz, in der Diagonalstellung ist dann die maximale Aufhellung erreicht (45 Grad zur Totalauslöschung verschoben). Dreht man der Objekttisch jetzt weiter, wird das Mineral wieder abgedunkelt und es kommt schließlich zur totalen Auslöschung (wieder um 45 Grad zur stärksten Aufhellung verschoben). Dies gilt natürlich nur bei fehlender optischer Aktivität!


3. Lichtdurchlässigkeit von Mineralien

3.1 Opake Minerale

Wenn Minerale trotz unpolarisierten Lichtes schwarz bleiben, nennt man diese Opake-Minerale. Die meisten gesteinsbildenden Erze, Graphit und kohlige Substanzen sind opak. In sehr dünnen Schliffen oder bei besonderen Schnittlagen können sie eine schwache Aufhelllung, bzw. dunkle, rötliche, braune oder graue Farben zeigen.

Beispiele:

Diese Minerale können nicht immer eindeutig durch Durchlichtmikroskopie bestimmt werden. In solchen Fällen wird meist das Auflichtmikroskop (Erzmikroskop) verwendet, dann aber mit polierten Anschliffen. Ein Beispiel dafür ist Magnetit und Ilmenit, diese Minerale können bei Durchlicht nur sehr wage bestimmt werden.

3.2 Optisch isotrope Minerale

Dies sind Minerale, welche unter unpolarisiertem Licht durchscheinend sind, aber unter polarisiertem Licht und gekreuzten Polarisatoren immer dunkel bleiben. Dies können kubische und amorphe Minerale oder auch gesteinsbildende Gläser ohne Doppelbrechung sein.

Beispiele:

Eine Spannungsdoppelbrechung durch mechnanische Verspannungen zeigt dann oftmals eine Aufhellung, der isotrope Kristall ist durch die gerichtete Spannung anisotrop geworden. Er hat eine Vorzugsrichtung, die Richtung der Spannung.


4. Eigenschaften unter normalem Licht oder linear polarisiertem Licht

4.1 Spaltbarkeit

Die Spaltbarkeit eines Minerals und der daraus resultierende Spaltwinkel sind für die Diagnose eines Minerals unablässig - so z.B. für die Unterscheidung von Amphibolen (124 bzw. 56 Grad) und Pyroxenen (87 Grad). Desweiteren kann die Schnittlage eines Minerals bestimmt werden. Sind bei einigen Mineralkörnern Risse zu sehen, können diese auf die Spaltbarkeit eines Minerals hinweisen. Wenn die Risse scharf ausgeprägt sind und sich gerade durch das Mineral ziehen, spricht man von vollkommener Spaltbarkeit, deutliche Spaltbarkeit ist durch kleine Absätze gekennzeichnet. Wenn die Risse jedoch gekrümmt sind, aber doch annähernd einer Linie folgen, spricht man von undeutlicher Spaltbarkeit. Details siehe hier

4.2 Pleochroismus

Ist ein Phänomen, welches mit unpolarisierten Licht zu erkennen ist. Dabei ändert ein anisotropes Mineral seine Farbintensität in Abhängigkeit vom Blickwinkel. Dies liegt daran, dass die Farbe in Abhängigkeit von der Orientierung verschieden stark absorbiert wird. Beim Mikroskop geschieht dies durch geeignetes Drehen des Objekttisches. Pleochroismus kann auch makroskopisch auftreten. Details siehe hier

Der Pleochroismus kann von schwach (fast nicht sichtbar) bis zu sehr stark variieren. Für die Diagnose ist dieses Merkmal unerlässlich (z.B für die Unterscheidung von Pyroxen und Amphibole).

4.3 Lichtbrechung

4.3.1 Relief

BILD:1216114556 Abb. 1 Mineral A ist höher lichtbrechend als die umgebenden Minerale und erscheint deswegen inselartig, scharf abgerenzt.
Mineral B ist niedriger lichtbrechend als die umgebenden Minerale, deswegen wirken die Grenzlinien "löchrig"

Aufgrund der Tatsache, dass Minerale unterschiedliche Lichtbrechung besitzen, entsteht beim Betrachten des Schliffes der scheinbare Eindruck, dass einige Minerale erhöht und andere erniedrigt sind. Aufgrund der Einschätzung der Intensität kann man den Kreis der Minerale weiter einschränken. Wenn ein Mineral einen höheren Brechungsindex als sein umgebendes Material hat, erscheint es erhöht - man spricht auch von einem "positiven Relief". Ist das Mineral jedoch niedriger lichtbrechend als das umgebende Mineral oder Einbettungsmittel, erscheint es vertieft oder die Umrisse haben "Löcher", es besitzt ein sogenanntes "negatives Relief".

Dies gilt natürlich nur bei einer idealen Präparation. Bei Proben mit stark unterschiedlichen Härten oder verschiedenen Polierverhalten kann der Unterschied real sein.

4.3.2 Chagrin

Chagrin kommt aus dem Französischen und heißt übersetzt "genarbtes Leder". Dies bezieht sich auf das Oberfläche eines Schliffes. Wenn eine Probe ein starkes Relief aufweist, also hochbrechend ist, wird dies auch von einer starken hervortretenden Oberflächenstruktur begleitet, dem Chagrin.

4.3.3 Beckesche Linie

BILD:1216388071

Abb. 2 Schrittfolge für das Erkennen der Beckschen Linie

Ein hochbrechendes Mineral hat immer scharf abgegrenzte Ränder, diese werden durch einen feinen Lichtsaum, der "Beckeschen Linie", begleitet (am besten erkennbar bei leicht unscharfer Einstellung). Die Becksche Linie wandert beim Heben des Tubus in Richtung des höher brechenden Materials, beim Senken in das schwächer brechende Material. Schrittfolge

  • 1. Mineral mit einem positiven Relief suchen.
  • 2. Vergrößern.
  • 3. Leicht unscharf stellen (Objekttisch absenken!), wenn nötig die Lichtfeldblende stärker zuziehen.
  • 4. Weiter unscharf stellen (Feintrieb).

5. Eigenschaften bei gekreuzten Polarisatoren

5.1 Undulöse Auslöschung

Undulöse Auslöschung ist eine Bezeichnung für die nur teilweise Auslöschung eines bestimmten Minerals unter gekreuzt polarisiertem Licht. Die Analyse findet unter dem Polarisationsmikroskop statt, das Mineral liegt als Dünnschliff vor. Bei plastisch verformten Mineralen, z.B. Quarz, ist das Atomgitter so verzerrt, dass die Lichtstrahlen nicht mehr eine einheitliche Schwingungsebene haben und es kommt zu einer Undulösen Auslöschung. Dies liegt daran, dass ein Teil des Lichtes durch den Analysator aufgehalten wird (Schwingungsebene parallel zum Analysator) und der andere Teil nicht (Schwingungsebene unterschiedlich zum Analysator). Die Doppelbrechung ist dann ortsabhängig.


6. Zentrieren eines Mikroskops

Durch Vibrationen und Stöße kann ein Mikroskop leicht dezentriert werden, dh. das Objekt, welches sich im Fadenkreuz befindet, wandert beim Drehen des Objekttisches scheinbar aus dem Kreuz. Durch folgende Schrittweise kann man dieses Problem beheben:

  • 1. Man wählt sich ein möglichst kleines, scharf umrissenes Objekt aus und bewegt es mit den Stellschrauben am Ojekttisch in das Fadenkreuz.
  • 2. Als nächstes dreht man den Objekttisch, um festzustellen, ob eine Dezentrierung vorliegt.
  • 3. Wenn ja, wie im Bild zu sehen, dreht man den Objekttisch so, dass das Mineral die weiteste Entfernung zum Fadenkreuz hat (halbe Drehung, 180 Grad)
  • 4. In diesem Schritt bewegt man das Mineral mit den Zentrierschrauben oder Zentrierringen in den Mittelpunkt des Kreises, welcher durch das Mineral beschrieben wird.
  • 5. Mit den Stellschrauben am Objekttisch bewegt man jetzt das Mineral in das Fadenkreuz.
  • 6. In diesem Schritt zeigt sich, ob das Mikroskop noch dezentriert ist, falls ja, und das Mineral wandert aus dem Schnittpunkt des Fadenkreuzes, muss der Vorgang ab Schritt 2. wiederholt werden. Ansonsten ist es, wie im Bild 6, zentriert.

BILD:1216414975

Abb. 3 Schrittfolge für das Zentrieren eines Mikroskops



7. Präparatformen

Es gibt, je nach Anwendungsgebiet, sehr verschiedene Formen der Präparation.

  • Dünnschliff, abgedeckt (petrografischer Dünnschliff)
  • Dünnschliff, unabgedeckt (für Ätzungen, Färbungen)
  • Einschlussplättchen (beidsteitig poliert, Durchmesser = 200-300μm)
  • mikroskopischer Anschliff (Auflichtmikroskopie, in Kunststoffbehälter, typisch d=40mm, mit Epoxidharz fixiert)
  • Mikrosonde-Anschliff (in Aluminium- oder Messingbehälter d=10-20mm)
  • Stückanschliff
  • Körnerpräparat (Stereomikroskop)

    • lose Körner auf dem Objektträger bzw. Franke-Zelle
    • Dauerpräparat (mit Kleber)

s.a. > Polarisation


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Beitrag: Erik 2006-05-11
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Quellangaben


Literatur

  • Hans Pichler, Conelia Schmitt-Riegraf: Gesteinbildende Minerale im Dünnschliff. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1987 ISBN:3432955219.
  • FEHLER, A. (2017). Abriss zur Geschichte der Dünnschliff-Mikroskopie in Deutschland. Entwicklung des Dünnschliff-Mikroskops. Aufschluss, Jg.67, H.3, S.121-29.

Einordnung