日 本 結 晶 学 会 誌42,401-412(2000)
単結晶X線
回折実験のかんどころ(1)
入 門講座
偏 光 顕 微 鏡 を使 っ て み ませ ん か
東北大学大学院理学研究科
秋 月瑞彦
Mizuhiko
AKIZUKI:
Introduction
to Polarized
Optical
Microscopy
This artical described a principle of crystal optics by poralized optical microscope. 私｢こ の ザ ク ロ 石 は 偏 光 顕 微 鏡 で 観 察 す る と,三 斜 晶 系 で す.」 あ る先 生 「そ れ,X線 で 調 べ ま した か.」 私 「光 学 的 に三 斜 晶 系 で あ れ ば,そ のunit cellも ま た 三斜 晶系 で す.」 あ る先 生 「 … 」 X線 結 晶 学 者 は 結 晶 の 対 称 性 はX線 や 電 子 線 な どで な い とわ か ら ない と考 えが ちで す.し か し,形 態 ,へ き(劈) 開あ るい は 双 晶等 を利 用 して,い と も簡 単 にそ の 光 学 的対 称 性 が 精 度 よ くわ か る の で す.し か し,時 には 十 分 に注 意 す る こ とが必 要 です.双 晶 が 細 か く繰 り返 して お れ ば,光 学 的 に は対 称 は上 が ります.微 斜 長 石 は 三斜 晶系 の鉱 物 で す が,電 子 顕微 鏡 で なけ れ ば 見 え な い ほ どの細 か い集 片 双 晶 を持 っ た微 斜 長 石 は,光 学 的 に単斜 晶系 で す. ゼ オ ラ イ トは 決 して均 質 な物 質 で は あ りませ ん.特 に 天 然 の ゼ オ ラ イ トの 結 晶構 造,AUSiの 秩 序 度 は均 質 で は な い の で す.し た が っ て,ゼ オ ラ イ トを割 っ て,適 当 な 大 き さ ・形 の 結 晶 片 を拾 い 上 げ構 造 解 析 す る と,い ろ い ろ な秩 序 配 列,対 称 性 が 現 れ ます.ど の よ うな 部 分 を解 析 しよ う と して い るの か,ま ず偏 光 顕 微 鏡 で観 察 す る こ とが 必 要 で す. トル マ リ ン(電 気 石)は あ りふ れ た 鉱 物 で す が,こ れ は19世 紀 以 来 三 方 晶 系 で あ る と考 え ら れ て 来 ま したが, 偏 光 顕 微 鏡 で 探 す と三 斜 晶 系 の 分 域 が 現 れ ます.無 論, X線 で解 析 して も三 斜 晶 系 です.こ こ で言 う分 域 と は,あ る結 晶面 で 成 長 して で きた 部 分 を指 し ます.こ れ をX線 の み で 探 す の は,目 隠 し して顕 微 鏡 を操 る よ うな もの で , 容 易 な こ と で は あ りませ ん. 偏 光 顕 微 鏡 は 一 台100万 円 で 立 派 な もの が 買 え ます. 鉱 物 学,岩 石 学 や 地 質 学 関 係 の研 究 室 に 行 け ば何 台 もあ り,学 生 は い つ で も使 え ます.し か し,最 近 で は 地 学 の 分 野 で も,何 千 万 円 もす る高 価 な 装 置 は 使 え て も,手 軽 な偏 光 顕 微 鏡 を使 え る人 は 少 な くな って 来 て い ます. 1.偏 光 顕 微 鏡 偏 光 板 は あ る 方 向 に振 動 して い る 光 の み を通 しま す. そ こ で,光 の振 動 方 向 を 直 角 に して二 枚 の 偏 光 板(ニ コ ル)を 重 ね る と,光 は 二枚 目の 偏 光 板 を通 れ ませ ん .こ の 二 枚 の偏 光 板 の 間 に 薄 い 結 晶 片 を挟 み,そ れ を生 物 用 透 過 型 光 学 顕 微 鏡 で 見 る と,い ろ い ろ な組 織 が 見 え て く る の で す.こ の 二枚 の 偏 光 板 の他 にベ ル トラ ン ドレ ン ズ や 集 光 レ ンズ と呼 ば れ る 簡単 な レ ンズ を組 み 込 ん だ 生 物 用 顕 微 鏡 が 偏 光 顕 微 鏡 で す.光 に対 して 結 晶 片 の前 にあ る偏 光 板 をpolarizerと 呼 び,結 晶片 の 後 に在 る偏 光 板 を analyzerと 言 い ます.顕 微 鏡 の前 に座 っ た と きpolarizerを 通 り抜 け た 光 は 観 察 者 に対 し て前 後 に振 動 して い ま す. analyzerを 通 り抜 けた 光 は左 右 に振 動 して い ます .偏 光顕 微 鏡 は19世 紀 の 初 頭 に発 明 され,結 晶光 学 が 急 速 に進 展 し ま した.そ して 鉱 物 学 や 岩 石 学 で は,偏 光 顕 微 鏡 は無 くて は な ら ない 研 究 装 置 と な っ たの です. polarizerは 半 固 定 で あ り,analyzerは 鏡 筒 か ら左 方 向 に抜 き去 る こ とが で き ます.analyzerを 抜 き取 った状 態 を 開 放 ニ コ ル で見 る と言 い,二 枚 の偏 光 板 の 間 に結 晶板 を 入 れ て 観 察 す る こ と を交 叉 ニ コル で 見 る と言 い ます.開 放 ニ コル の と き,透 明 で ス ラ イ ドガ ラス と 同 じよ うに見 え る結 晶 で も,交 叉 ニ コル の と き,鏡 下 に さ ま ざ ま な模 様 が 浮 か び 上 が る の で す.飾 り物 と して も売 られ て い る メ ノ ー を 薄 く して偏 光 顕 微 鏡 で 見 る と,う っ と りす る よ うな模 様 が 浮 か び上 が ります. 2.薄 片(プ レ パ ラ ー ト)の 作 り 方 偏 光 顕 微 鏡 の 難 点 は,偏 光 板 に挟 む結 晶,そ れ が 水 晶 や 長 石 な どの造 岩 鉱物 の と き,厚 さ を0.03mm(30ｵm) に しな け れ ば な らな い こ とで す.0.02mmで も0.04mm 日本 結 晶 学 会 誌 第42巻 第5号(2000)
秋 月瑞彦 で もな く,0.03mmで す.我 々 の 所 に は3人 の 技 術 者 が 居 て,結 晶(鉱 物 ・岩 石)を ス ラ イ ドガ ラス に 張 り付 け て 研 磨 し,こ の 薄 片 を作 って い ます. まず,試 料 を ス ラ イ ドガ ラ ス に 張 り付 け られ る よ う な 大 き さ に切 り出 します.張 り付 け る面 を十 分 に平 坦 に し な け れ ば な りませ ん.回 転 して い る砥 石 に研 磨 剤(粉 末 の シ リコ ン カ ーバ イ ド)を 付 け て面 を平 ら に して い きま す.研 磨 剤 も初 め は荒 く,し だ い に細 か い もの に 変 え て い き ま す.さ ら に ガ ラ ス板 の 上 に一 層 細 か い 研 磨 剤 を付 け て 磨 き ます.最 後 に ラ シ ャ布 に少 し研 磨 剤 を付 け て磨 きます. こ の よ う に して 作 っ た面 をス ラ イ ドガ ラ ス に張 り付 け る の で す.次 に ス ラ イ ドガ ラス と平 行 に,な る べ く薄 く 試 料 を切 断 し ます.こ の 切 断 面 を上 に 述 べ た 順 序 で研 摩 す る の で す. 直 径5cmに もな る大 き な 薄 片 も作 れ ま す.私 の よ う な 素 人 が 作 る と,結 晶 の 厚 さが,一 様 で は な く一 端 で は 厚 く,も う一 方 の 端 で は 摺 りす ぎて 結 晶 が 無 くな り,大 抵 失 敗 します.学 生 が 自分 の 研 究用 の もの を作 っ て い ま す が,大 抵 の 結 晶 は厚 め で す.ス ラ イ ドガ ラ ス に張 り付 け た試 料 を研 磨 す る と き,十 分 に気 を つ け て い て も瞬 時 に して 結 晶 が 無 くな っ て し ま う の で,あ る と こ ろ で止 め に す るか らで す.屈 折 率 の低 い 結 晶 で は,薄 片 を少 し厚 く した方 が 良 い こ と もあ りま す.し た が っ て,薄 片 の 厚 み には 必 ず しも一 定 の 決 ま りは な い の で す が,下 に 述 べ る 理 由 に よっ て,造 岩 鉱 物 で は0.03mmが 良 い の で す. 最 後 に カバ ー ガ ラス を掛 け ます.こ の よ う に して,試 料 の 表 面 で の乱 反 射 を防 ぎ ます.し か し,磨 きの 悪 い 時 は, 研 摩 面 の 細 か い 凹 凸 が 見 え て 来 ます.試 料 を重 しで 押 さ え な が ら作 る 自動 研 磨 機 もあ ります が,一 番 良 い の は指 の 感 覚 の様 で す. 雲 母 の よ うなへ き開 の完 全 な結 晶 で は,へ き開 面 に 平 行 な 薄 片 の作 成 は 容 易 で す が,へ き開 に垂 直 に 薄 片 を作 ろ う とす る と,結 晶 が 細 か くへ き 開 して し まい,薄 片 作 成 は 容 易 で は あ りませ ん.い ろ い ろ な接 着 剤 で 固 め な が ら作 る の で す が,良 い 薄 片 は 素 人 に は で き ませ ん.一 般 的 な 薄 片 な らば,外 注 で1枚5000円 く らい で で きる で し ょ う.し か し,単 結 晶 の あ る 面 に平 行 や,あ る 軸 に 垂 直 な 薄 片 な ど と注 文 を付 け る と金 額 は高 くな る で し ょ う. この よ う に細 か い 研 摩 剤 で 研 摩 して も結 晶 構 造 の 破 壊 は 起 きる で し ょ う.し か し,そ の 厚 さは 薄 片 の 厚 さ(30 μ m)に 比 べ て極 くわ ず か で す.ま た,通 常 のX線 構 造 解 析 で は,破 壊 の影 響 は 出 て 来 ませ ん. 生 物 顕 微 鏡 と異 な り,結 晶 を偏 光 顕 微 鏡 で 観 察 す る と き,幾 ら か の 知 識 が 必 要 で す.こ れ か ら書 こ う とす る こ と は そ れ 程 難 しい こ と で は あ りませ ん.し か し,偏 光 顕 微 鏡 を実 際 に扱 っ て み な け れ ば,実 りの あ る勉 強 に は な りませ ん.ぜ ひ,偏 光顕 微 鏡 を使 い なが ら読 ん で 下 さい. 3.屈 折 率 屈 折 率 は真 空 中 で も空 気 中 で も,大 き く異 な る こ とは な い の で,現 実 に は空 気 中 で 測 定 し ます.ま た,屈 折 率 は 光 の 波 長 や 温 度 に よ っ て 異 な る の で,屈 折 率nは 次 の よ う に温度(r)と 使 用 した光 の波 長 に よっ て表 さ れ ます. 〓同一温度で の波 長の違い に よる屈折率 の差 を光 の分散度 と言い ます. 屈折 率の例〓 〓を分散度 と言 い ます.〓 〓に お け る屈 折 率 は NaCI1.5543, ダイ ヤ モ ン ド2.4173 石 英(水 晶)1.5442,1.5534, コ ラ ン ダム1.7690,1.7605, 方 解 石(CaCO3)1.6584,1.4864(複 屈 折 あ り). 無 色 透 明 な水 晶 をそ の屈 折 率 と似 た 屈 折 率 を持 っ た 液 体 に入 れ れ ば,光 は表 面 で 反 射 し な い の で,水 晶 は見 え な く成 ります.し か し,1.7以 上 の 屈 折 率 を示 す 液 体 は 少 ない の で,ダ イ ヤ モ ン ドを隠 す こ と はで きませ ん. 4.屈 折 率 曲 面 結 晶 に は,光 学 的 等 方 体 と光 学 的 異 方 体 の 二 種 類 が あ り ます.光 学 的 等 方 体 で は,屈 折 率 は 一 種 類 で,結 晶 の 方 向 に無 関係 に 一一定 で す.立 方 晶 系 や 非 晶 質 の 物 体 の 屈 折 率 が こ れ に当 た りま す.光 学 的 異 方 体 で は,光 波 は速 度 を異 に す る二 つ の偏 光 に分 か れ,複 屈 折 を示 し ます.光
図1光 の 複 屈 折 と 振 動 方 向.(Double refractions and vi-bration directions of optical ray.)
偏 光顕微鏡 を使 ってみ ませ んか
の振 動 方 向 は,図1に 示 した よ う に互 い に直 交 して い ま す.上 の 光 は紙 面 に垂 直(通 常 光,ordinary ray, No(ω))
に,下 の 光 は紙 面 と平 行 で,光 の 進 行 方 向 に 対 して 直 角 (異常 光,extraordinary ray, Ne(ε))に 振 動 して い ます.
光 学 的 異 方 体
光 学 的異 方体 は 光 学 的 一 軸 性 結 晶(略 して 一 軸 性,uni-axial crystal)と 光 学 的二 軸 性 結 晶(二 軸 性,bi性,uni-axial crys-tal)に 分 け られ ます.光 学 的 一 軸 性 結 晶 は正 方 晶系,三 方 晶 系 と六 方 晶系 の結 晶 に,ま た 二 軸 性 結 晶 は 斜 方 晶 系, 単 斜 晶 系,三 斜 晶 系 の 結 晶 に対 応 し ます.一 軸 性 結 晶 か 二 軸 性 結 晶 か の 判 定 は あ ま り難 し くは あ り ませ ん.X線 解 析 で 正 方 晶 系 と出 て も,二 軸 性 結 晶 の もの も少 な くな い の で す.X線 よ りも可 視 光 は結 晶 の 対 称 性 に敏 感 で す . 一 軸 性 結 晶(正 方 晶 系 ,三 方 晶 系,六 方 晶 系)の 屈 折 率 曲 面 通 常 光 の屈 折 率 は球 と して 表 され,異 常 光 の 屈 折 率 は 回 転 楕 円体 で す.屈 折 率 は 球 の 中 心 で ゼ ロ で あ り,外 に 向 か っ て大 き くな り ます.一 軸 性 結 晶 に は 正 号 結 晶 と負 号 結 晶 の二 種 類 が あ り,そ の 屈 折 率 曲面 は 図2に 見 ら れ ます.図2のCは 光 軸 と呼 び,結 晶 軸cに 一 致 します.す な わ ち,こ の 図 で は 結 晶 軸cは 紙 面 内 の 上 下 方 向 で す.一 軸性 結 晶 で は,通 常 光 の屈 折 率 を ω(オ メ ガ)と 呼 び,異 常 光 の 最 大 屈 折 率 を ε(イ プ シ ロ ン)と 名 付 け て い ます. また これ らは 主屈 折 率 と も言 い ます.例 え ば, 石 英 ω=1.544,ε=1.553 方 解 石 ω=1.658,ε=1.486 の よ うに表 し ます. 通 常 光 の 屈 折 率(結 晶 の 方 向 に 関 係 な く一 定)をn0, 異 常 光 の屈 折 率(方 向 に よ って 変 化 す る)をn,と 言 い ま す.n0のoはordinary light(通 常 光)に,neのeはextra-ordinary light(異 常 光)に 対 応 させ て い ます.図2を 見 る と,次 の よ うな 関係 が 見 られ ます. 光 軸cの 方 向 で は,n0=ω=ne 光 軸 に垂 直 な方 向 で は,n0=ω,n,=ε ne∼n0を 複 屈 折 の 強 さ,ε ∼ ω を最 大 複 屈 折 図2一 軸 性 結 晶 の 屈 折 率 曲 面 正 号 結 晶(左)と 負 号 結 晶(右).(Section of uniaxial indicatrix of double re-fractions. Positive (left) and negative(right).)
ε>ω 光 学 的 正 号 結 晶, ε<ω 光 学 的 負 号 結 晶 屈 折 率 の小 さい 光 の 速 度 は 速 く,屈 折 率 の大 きい 光 の 速 度 は遅 い の で す.そ こで,速 い 光 の振 動 方 向 をX'で, 遅 い 光 の 振 動 方 向 をZ'で 表 し ます.し た が っ て,紙 面 の 向 こ うか ら結 晶 を通 っ て 来 る二 種 類 の 光 はX'とZ'で 表 せ,互 い に直 交 して い ます. 二 軸 性 結 晶(斜 方 晶 系,単 斜 晶 系,三 斜 晶 系)の 屈 折 率 曲面 図3は 立 体 図 形 の118の み を示 して あ ります.光 学 的 弾 性 軸 とい うX,Y,Zの 直 交 座 標 が 見 られ ます.α,β,γ は 屈 折 率 で,α<β<γ で あ り,γ を主 屈 折 率 と言 い ます.二 組 の 屈 折 率 曲線 の 内,α-α,D-P,YYは 真 円 の 一 部 で あ り, α-β,β-α,α-γは楕 円 の 一 部 で す.0-Pを 光 軸 と言 い,そ こ に お け る 屈 折 率 は βで す.γ-α を最 大 複 屈 折 と言 い ま す.X,Y,ZはX',Z'と 違 うの で 誤 解 の な い よ うに. 中 心0か らX-Y面 上 を進 む光(長 い 矢 印)を 考 え ま し ょ う.γ-γの 屈 折 率 を示 す 光 は 通 常 光 で,光 の 振 動 方 向 は O-X-Y面 に対 して 垂 直 で す.α-β の 屈 折 率 を示 す 光 は異 常 光 で,光 の振 動 方 向 は0-X-Y面 上 にあ り,光 の 進 行 方 向 に対 して 直 角 で す. Z-X面 上 で の 屈 折 率 曲 面(図4) 0-P,O-P'軸 は 光 軸 で あ り,Z軸 を挟 ん で,2V<90° (V<45°)の と き正号 結 晶 で,例 え ば,2Vz=60° あ る い は2V=(+)60° の よ う に 表 し ま す.X軸 を挟 ん で, 2V<90°(V<45°)の と き,負 号 結 晶 で,た と え ば, 2Vx=35° あ る い は2V=(-)35° の よ う に表 します. こ の2Vの 値 を 光 軸 角 と言 い ます.2Vz=60° の と き, 2Vx=120° で す.し か し,必 ず2V<90° の 方 で 示 す 決 ま りで す.二 本 の 光 軸 を含 ん だ 面(Z-X面)を 光 軸 面 と言 い ます.す な わ ち 図4は 光軸 面 で す. 図3二 軸 性 結 晶 の 屈 折 率 曲 面 光 の 振 動 方 向(短 い 矢 印) (坪 井 誠 太 郎1966よ り).(Theparts of biaxial ray sur face of double refractions (From S. Tuboi, 1966).)
秋月瑞彦
図4二 軸 性 結 晶 の 屈 折 率 曲 面X-Z面,Pは 光 軸. (Section of biaxial indicatrix of double refractions X-Zplane, The optic axes are P.)
光 は 結 晶 面 で 屈 折 す る の で,見 か け の 光 軸 角(E)が 得 ら れ ま す.こ の 時,β を 屈 折 率 と す る と,sinEニ βsinV に な り ま す.下 に 述 べ る よ う に,光 軸 角 は ユ ニ ヴ ァ ー サ ル ・ス テ ー ジ と い う装 置 を 用 い て 測 定 す る の で,直 接2V 値 が 得 ら れ ま す. 一 軸 性 結 晶 と 二 軸 性 結 晶 と の 関 係 図3に 示 し た 二 軸 性 結 晶 軸 の 光 軸O-PをO-Zに 合 わ せ る と,図2Aが 得 ら れ ま す.す な わ ち2Vz=0° に す る と, 一 軸 性 の 正 号 結 晶 が 得 ら れ ま す(c=Z ,2Vz=0°,ω= α=β).一 方0-Pを0-Xに 合 わ せ る と,図2Bが で き ま す.こ の と き,2Vx=0° に な っ て 一 軸 性 の 負 号 結 晶 に な り ま す(c=X,2Vx=0°,ε=α=β). 5.二 軸 性 結 晶 軸 の 光 学 的 方 位 光 学 的 弾 性 軸,光 軸,光 軸 面 な ど の 光 学 的 方 向 と 結 晶 軸a,b,cの 方 位 関 係 を 光 学 的 方 位 と 言 い ま す. 斜 方 晶 系 結 晶 軸 に はa<b<c=90° の 関 係 が あ り,X,Y,Zは 直 交 座 標 で す か ら,結 晶 軸a,b,cの 各 々 は,そ れ ぞ れX, Y,Zの い ず れ か と一 致 し ま す.そ こ で 次 の 六 種 類 が で き 上 が り ま す. i)a=X,b=Y,c=Z(図5) (記載 例:光 軸 面 はac面(010), a=X,b=Y,2V=36°) ii)a=X,b=Z,c=Y 光 軸 面 はab面(001) 111)a=Y,b=X,c=Z 光 軸 面 はbc面(100) iv)a=Y,b=X,c=Z 光 軸 面 はbc面(100) 図5斜 方 晶 系 の 光 学 的 弾 性 軸(X,Y,Z),結 晶 軸(a,b, c)と 光 軸(P).(Vibration directions(X,Y,X),crys-tal axes(a,b,c), optic axes(P) of orthorhombic crys-tal.)
図6単 斜 晶 系 の 光 学 的 弾 性 軸,結 晶 軸,光 軸a,c,P軸 は (010)面 上 に 在 る.(Vibration directions, crystalax-es, optic axies.)
v)a=Z,b=X,c=Y 光 軸 面 はab面(001) vi)a=Z,b=Y,c=X 光 軸 面 はac面(001) 単 斜 晶 系 b軸 はa,c軸 に 対 して 垂 直 で あ り,X,Y,Z軸 は 互 い に 直 交 で す.そ こ でb軸 だ け がX,Y,Zの い ず れ か と 一 致 し,a,c軸 は い ず れ の 弾 性 軸 と も 一 致 し ま せ ん.し た が っ て,次 の 三 通 りが あ り ま す. i)x=b(図6) ii)Y=b iii) Z=b b軸 と 一 致 し な いX,Y,Zの う ち の 二 本 はa,cを 含 む 面, す な わ ち(010)上 に あ り ま す. 三 斜 晶 系 結 晶 軸a,b,cは い ず れ の 弾 性 軸 と も 一 致 し ま せ ん. 屈 折 率 曲 面 の 理 解 は 偏 光 顕 微 鏡 を 使 う 上 で 最 も 重 要 な 404 日本 結 晶 学 会 誌 第42巻 第5号(2000)
偏 光顕 微 鏡 を使 っ て み ま せ ん か こ と で す.後 に も ま た 出 て 来 ます.難 し くは な い が,や や こ しい. 6.直 交 偏 光 板(ニ コ ル)間 で の 単 色 光 に よ る 観 察 1.光 学 的 等 方 体 顕 微 鏡 の ス テ ー ジ(載 物 台)を 回 転 して も常 に 暗 黒 2.光 学 的 異 方 体 結 晶 を透 過 して 来 た 光,X'(速 い 光)とZ'(遅 い 光) の振 動 方 向 は常 に直 交 して い ます.二 枚 の 偏 光 板 の 光 の 振 動 方 向 も直 交 して い ます.そ こで,X',Z'の 振 動 の 方 向 が偏 光 板 の振 動 方 向 と一 致 す る な ら ば,光 はanalyzerを 通 れ ませ ん.し たが っ て 光 は 観 察 者 の 眼 に は届 か な く,結 晶 は 暗黒 で す.ス テ ー ジ を360° 回 転 す る 間 に4回 暗 くな り,こ の と きの 結 晶 の 位 置 を消 光 位(extinctionposition) と呼 び ます.消 光 位 よ りス テ ー ジ を 回転 し始 め る と,光 はanalyzerを も透 過 し始 め,視 野 は しだ い に 明 る くな り だ します.消 光 位 か らス テ ー ジ を45。 回転 した と き,視 野 は最 も明 る く,こ の位 置 を対 角 位(diagonal position)と 呼 ぶ の で す. 薄 片 の レ ター デ ー シ ョン(Reterdation) 入 射 単 色 光 波 長 λ。 二 つ の 偏 光 波 長 λ1(速 い光),λ2(遅 い 光) 薄 片 の 厚 さd 薄片 に垂 直 な二 つ の 光 の 屈 折 率nl,n2(n,<n2) 振 動 の 周 期 は 瓦,λ1,λ2で同 じ 速 い 光 はd!λ1だ け振 動 す れ ば薄 片 を出 ます.遅 い 光 は d1λ2だけ振 動 す れ ば 薄 片 を出 ます.す な わ ち 遅 い 光 は 薄 片 中 で 速 い 光 よ り(d1λ2-d1λ1)回 だ け 多 く振 動 しな け れ ば な り ませ ん.単 色 光 な らば 福,λ1,λ2の振 動 周 期 は 同 じで す か ら,遅 い 光 が 薄 片 を 出 た と き,速 い 光 は す で に 空 気 中 をd1λ2-d1λ1回 だ け振 動 して い る こ と にな ります. 空 気 中 の波 長 は λ。で す か ら,先 に結 晶 を出 た 光 は距 離 に して R=λo(d1λ2-d1λ1) だけ 先 行 して い ます. n2=λ0/λ2,nl=λ01λ1で す か ら, R=d(n2-nl) とな ります.す な わ ち複 屈 折 の大 き さ に結 晶 の 厚 さ を掛 け た もの で,こ のRを レ ター デ ー シ ョン(Reterdation)と 言 うの で す. 図7に 示 した 通 り,紙 面 の 下 か らX-X,Y-Y方 向 に 振 動 す る 光 が 来 る と し ます.こ の 時,二 枚 の偏 光 板 の振 動 方 向 に 一 致 す れ ば,薄 片 は 暗 くな りま す.そ の 位 置 か ら 薄 片 を少 し回転 させ る とanalyzerを 抜 け た光 は 二 つ の 光 a,aに 分 か れ ます(図7).そ の た め,analyzerを 出 た 二 つ の 光 は 同 一 面 上 で 振 動 し,互 い に 干 渉 し合 い ます.そ の 結 果,薄 片 は暗 く成 っ た り明 る くな っ た りす るの です. polarizerを 出 て き た光 の振 幅 をAと し ます. 図7光 の 干 渉PPはpolarizerで の 光 の 振 動 方 向,asは analyserで の 光 の 振 動 方 向,X-X,Y-Yは 結 晶 内 で の
光 の 振 動 方 向,oPは 振 幅.(Optical interference figure, PP: vibration directions of the polarizer., aa: s
vibration directions of the analyzer.,X-X and Y-Y : vibration directions in acrystal.,oP : wavelength.)
ox=Arosθ oY=Asinθ
0X,oY方 向 の 振 幅 が 得 ら れ ま す.
oX,oYは そ れ ぞ れanalyzerを 出 る とoa,oaに 対 応 し ま す.
す な わ ちoか らXとYの 方 向 に 同 時 に 波 が 振 動 し て も, oa,oaは 互 い に 右 と左 の 反 対 方 向 に 振 動 す る こ と に な り ま す.oX,oYの 偏 光 の 位 相 が 一 致 し て い て も,レ タ ー デ ー シ ョ ン で は 位 相 は112ず れ る の で す. R/λ0=P(=0,1,2,3…)の と き,光 の 強 度 は ゼ ロ と な り,薄 片 は 暗 く な り ま す.も し,400mμ(=400nm) の 波 長 の 単 色 光 で 薄 片 を 直 交 ニ コ ル の 対 角 位 で 見 る と, 薄 片 の レ タ ー デ ー シ ョ ンR=400mμ,800mμ,1200mμ … の と き,R/λ0=1,2,3と な り ま す.す な わ ち,結 晶 を 先 に 出 た 光 と後 か ら 来 る 光 と の 距 離 差 は 波 長 の 整 数 倍 で あ り,薄 片 は 暗 く な る こ と が わ か り ま す. R/λ0=(2P+1)/2(=112,312,512…)の と き,光 の 強 度 は 大 き く,結 晶 は 明 る く な り ま す.上 と 同 じ く400mμ の 波 長 で 見 る と,R=200mμ,600mμ,1000mμ … の と き,R/λ0=112,3/2,512と な り,薄 片 は 明 る く な り ま す. カ ラ ー 図 版1左 の よ う に,横 軸 に 可 視 光 線 の 波 長,縦 軸 にR/λ0を と る と,暗 い と こ ろ と 明 る い と こ ろ が 生 じ ま す. も し,R=1000mμ の 薄 片 を 白 色 光 で 見 る と,最 も 明 る く見 え る 波 長 は667mμ と400mμ で あ り,暗 く見 え る 光 の 波 長 は500mμ で す.し た が っ て,500mμ の 青 緑 色 は 見 え ず,667mμ の 橙 色 と400mμ の 紫 色 の 混 合 色,す な わ ち 赤 味 の 強 い 褐 色 に な る は ず で す.こ の よ う な 色 を レ
秋 月瑞彦 ター デ ー シ ヨ ン1000mμ の 干 渉 色 と言 うの で す. 石 英 の 複 屈 折 は0.001で あ り,薄 片 の 厚 さ を0.03mmと す る と,R=d(n2-n1)に お い て,明 る く無 色 透 明 の 干 渉 色(少 し黄 色 味 が か る)が 見 え るの で す(カ ラー 図版1 右).こ の 厚 さ は,結 晶 を特 殊 な 強 い 色 に す る こ とな く, 観 察 す る の に一 番 良 い の で す.そ の た め に薄 片 作 りに は 技 術 が 要 ります. 7.検 板(Test plate) 鋭 敏 色 検 板(石 膏 検 板) R=530mμ の 干 渉 色 は鮮 や か な 美 しい 紅 色 です. 大(青 色) ↑ R=530mμ 紅 色(鋭 敏 色) ↓小(黄 色) 図8相 加 現 象 石 膏 検 板(大)と 結 晶(小)に お け る 光 の 振 動 方 向(X',Z'). (Addition phenomenon, Vibration directions(X',Z') of optical ray in
gyp-sum plate (large) and crystal(small).)
図9相 減 現 象 石 膏 検 板(大)と 結 晶(小)に お け るX', Z'.(Subtraction phenomenon, Vibration directions(X', Z')of optical ray in gypsum plate(large)and crys-tal(small).) 石 膏 の(010)へ き開 に平 行 な板 を作 りま す.こ の 石膏 検 板 を顕 微 鏡 の 手 前 よ り45。 反 時 計 周 りに 回 した位 置 か ら顕 微 鏡 の 筒 に挿 入 し ます.特 別 な挿 入 口 が あ り,挿 入 す る方 向 は 石 膏 のX'方 向 です.図8お よ び図9は 長 い 石 膏 検 板 のX',Z'の 方 向 と四 角 形 の 結 晶 のX',Z'の 方 位 関 係 を示 して い ま す.石 膏 のR=530mμ は 紅 色 で す.そ う な る よ う に厚 さ を定 め て い ます.R値 が 少 し変 わ る と,青 色 と黄 色 に 急 変 す る の で,石 膏 検 板 を鋭 敏 色 検 板 と言 い ま す.他 の 結 晶 を一 枚 ス テ ー ジ上 に 置 く と,干 渉 色 が 急 変 します. 8.薄 片 で の 光 の 振 動 方 向 の 決 定 斜 方 晶 系 こ の 結 晶 に は3本 の結 晶 軸 が 直 交 して い ます.そ の 内 少 な くと も一本 が 偏 光 板 の振 動 方 向 に 一 致 す る と,結 晶 を通 り抜 け た光 はanalyzerを 通 り抜 け られ ませ ん.す な わ ち 消 光 し ます.一 般 に結 晶 は 一 本 の 結 晶 軸 方 向 に伸 び て い る の で,そ の伸 び 方 向 を顕 微 鏡 の上 下 あ る い は 左 右 方 向 に 向 け る と消 光 し ます.そ こで 結 晶 の 伸 び 方 向 を基 準 に して,直 消 光 と言 い ます. 単 斜 晶 系 b軸 はaお よ びc軸 に 直 角 で あ り,aとc軸 は 直 交 して い ませ ん.そ こでb軸 が 偏 光 板 の 振 動 方 向 と 一 致 す る と き消 光 しま す.す な わ ち,結 晶 がb軸 方 向 に伸 び て お れ ば,そ の 伸 び 方 向 を顕 微 鏡 の 上 下 あ る い は左 右 方 向 に 向 け る と消 光 し ます.b軸 に対 して直 消 光 で す. 三 斜 晶 系 結 晶 軸 は互 い に直 交 して い ませ ん.結 晶 の 伸 び方 向 を 偏 光 板 の 振 動 方 向 に合 わ せ て も消 光 し ませ ん.こ れ を斜 消 光 と言 い ます. 消 光 位 の場 合 交 叉 偏 光 板 で 薄 片 を挿 入 して 消 光 位 に し ます.こ れ に 検 板 を入 れ る と鋭 敏 色 が 見 え ます.こ の と き結 晶 で の 光 の 振 動 方 向 が 偏 光 板 の振 動 方 向 と一 致 して い る の で す. 薄 片 が な い の と同 じ こ と に な り,石 膏 の 鋭 敏 色 が 見 え ま す.薄 片 を少 し回 転 す る と,青 色 あ る い は 黄 色 に変 わ り ます. 対 角位 の 場 合 石 膏 検 板 のX',Z'方 向 が結 晶 のX',Z'方 向 とそ れ ぞ れ 一 致 す る時: 薄 片 を出 た速 い 光(X')は 石 膏 に 入 っ て 一 層 速 くな りま す.薄 片 を 出 た遅 い 光(Z電)は 石 膏 板 に 入 る と一 層 遅 く な り,両 者 で の 光 の速 度 の差 は大 き くな ります.X'とX', Z'とZ'が 一 致 す るか らで す.こ れ を相 加 現 象 と言 い,結 晶 は青 く見 え ます(図8). 石 膏 検 板 のX',Z'が 結 晶 のZ。,X'と そ れ ぞ れ 一 致 す る 時: 薄 片 を 出 た 速 い 光(X')は 石 膏 内 で は遅 くな り ます.X' 406 日本 結 晶学 会 誌 第42巻 第5号(2000)
偏 光 顕 微 鏡 を使 っ て み ませ ん か
図10結 晶 の 伸 張 方 向.(Elongation direction of crystal.)
がZ'に 移 り変 わ る か らで す.遅 い 光 は速 くな ります.こ れ を相 減現 象 と言 い,結 晶 は 黄 色 に見 え ま す(図9). 石 膏 検 板 で のX'の 方 向 が 決 ま っ て ます の で,干 渉 色 を 知 る こ とに よ り,薄 片 に平 行 なX.,Z'の 方 向 を精 度 良 く決 定 で き ます.た だ し,色 の濃 い 結 晶 や 複 屈 折 の 大 きな 結 晶 で は,そ の 決 定 に難 しい こ とが あ りま す.こ れ は あ く まで もX',Z'の 方 向 の 決 定 で あ って,光 学 的弾 性 軸X,Y, Zの 方 位 の 決 定 で は あ りませ ん. 9.伸 長 方 向 の 正 負 の 決 定 結 晶 に よっ て は,伸 長 方 向 がX'の こ と もあ れ ば,Z'の こ と もあ ります.こ の 区 別 も同様 に して決 定 で き ます.伸 長 方 向 がX'に 平 行 で あ れ ば,負 結 晶(negative crystal)と 言 い,Z'の と き は 正 結 晶(positive crystal)と 言 い ま す (図10). 10.ベ ッ ケ 線(Becke line) Analyzerを 抜 き ます(開 放 ニ コ ル に し ます).結 晶 を ス ラ イ ドガ ラス 上 で何 ら か の 液 に浸 し ます.結 晶 の 屈 折 率 と液 体 の屈 折 率 が 等 しい な らば,結 晶 の輪 郭 は 見 え ま せ ん.す な わ ち無 色 透 明 な 結 晶 な ら ば,そ れ は 見 え な い の で す.屈 折 率 の 差 が 結 晶 と液 体 で 違 え ば 違 う程,結 晶 の 輪 郭 が 明 瞭 に な り,結 晶 の 輪 郭 に 明 るい 線 が 見 え て き ます.そ れ をベ ッケ 線(Becke line)と 言 うの で す.顕 微 鏡 の 鏡 筒 を上 げ れ ば(結 晶 か ら鏡 筒 を離 せ ば),ベ ッケ 線 図11集 光 レ ン ズ か ら 来 た 光 の 結 晶 内 で の 行 路.(Refraction of light passing into crystal from condenser lens.)
は屈 折 率 の大 きい 媒 質 の 方 へ 移 動 します.下 げ れ ば,そ の反 対 に な り ます. こ れ に よ っ て,結 晶 の屈 折 率 が 基 準 と な る 液 体 の もの よ り高 い か 低 い か が わ か ります.屈 折 率 の わ か っ て い る 液 体 を順 序 よ く換 え な が ら観 察 す る と,や が て ベ ッケ線 が 見 え な くな る液 が 見 出 せ ます.そ の 液 の 屈 折 率 が 結 晶 の 屈 折 率 で す.立 方 晶系 で は 屈 折 率 は一 つ で す か ら,屈 折 率 の測 定 は そ れ程 難 し くは あ り ませ ん. しか し,二 軸 性 結 晶 で は屈 折 率 は α,β,γの 三 種 類 で す.下 に 述 べ る 方 法 で 光 学 的 方 位 を調 べ,さ ら にX',Z' の 振 動 方 向 をporalizerの 振 動 方 向 に 一 致 させ な が ら 同様 に屈 折 率 を測 定 す る と,三 つ の 屈 折 率 が わ か りま す.こ れ は容 易 な こ とで は あ りませ ん.X'を 顕 微 鏡 の 前 後 方 向 に向 け なが ら多 数 の 結 晶片 を観 測 して得 ら れ た屈 折 率 の う ち最 小 の ものが αで あ り,逆 にZ'を 前 後 方 向 に向 け な が ら得 た 最 大 の もの が γで す. 11.コ ノ ス コ ー プ に よ る 観 察 倍 率 の高 い対 物 レ ンズ(一 般 に は ×40) コ ンデ ンサ ー(集 光 レ ンズ) Bertlandレ ンズ を 用 い て 交 叉 偏 光 板 で 見 る と,干 渉 像 が 見 え ま す. Bertlandレ ンズ と接 写 レ ンズ を 除 く と,小 さな 干 渉像 が見 え ます. 試 料 の 下 の コ ンデ ンサ ー レ ンズ を出 た光 は 種 々 の 方 向 を 向 い て い ます.す な わ ち結 晶 に い ろ い ろ な 方 向 か ら光 が 入 っ て来 る の で す.図11に 見 る よ う に,光 の 方 向(∠ CBO)に よ っ て 結 晶 内 で の 光 路 の 長 さが 違 っ て 来 ま す. 薄 片 の厚 さ はd,光 の 行 路 は 長 さCBで す.BC=dlcosr で す か ら,レ タ ー デ ー シ ョ ンは R=dlcosr(n2-n1) と な ります.し た が って,結 晶 に 入 って 来 た光 に よ って, R値 が違 って 来 るの で す.そ の ため に干 渉像 が 生 じます.
秋 月瑞彦 12.一 軸 性 結 晶(正 方 晶 系,三 方 晶 系,六 方 晶 系) の 干 渉 像 図12に 結 晶軸cに 垂 直 な結 晶 の 干 渉 像 を,図13に 傾 斜 した結 晶 の 干 渉 像 を示 して い ます.polarizer, analyzer に よ り光 の振 動 方 向 に 暗 い 帯 が 生 じま す.こ れ を ア イ ソ ジ ャ イヤ ー と言 い ます.ス テ ー ジ を 回 転 しま し ょ う.c軸 (二本 の ア イ ソ ジ ャ イ ヤ ー の交 点)が 視 野 の 中 央 に あ る と き,ス テ ー ジ を回 転 させ て も干 渉像 に は ま っ た く変 化 は あ りませ ん. c軸 が 薄 片 の 垂 直 方 向 か ら傾 い て い る と,干 渉 像 は 視 野 の 中心 よ りそ れ ます.ス テ ー ジ を 回転 す る と,c軸 は 視 野 の 中心 で 回転 し ます が,ア イ ソ ジ ャ イ ヤ ー は 平 行 移 動 す る の み で す.傾 斜 角 度 が 大 きい とc軸 は視 野 の 外 に 出 ま す の で,ア イ ソ ジ ャ イ ヤ ー の み が平 行 移 動 し ます.す な わ ち,回 転 と と も に,ア イ ソジ ャ イ ヤ ー は視 野 に現 れ て は 消 え,消 え て は 現 れ る の で す.平 行 移 動 の 順 序 を知 る 図12一 軸 性 結 晶 の 干 渉 像c軸 は 紙 面 に 垂 直(坪 井 誠 太 郎,1966よ り).(Interference figure of uniaxial crys-tal. c axis is normal (From S. Tuboi, 1966).)
図13一 軸 性 結 晶 の 干 渉 像c軸 は 紙 面 に 対 し て 傾 斜(坪 井 誠 太 郎,1966よ り).(lnterference figure of uniaxial crystal. c axis is inclined (From S. Tuboi,1966).)
こ と に よっ て,今 見 て い る視 野 が 干 渉 像 の第 何 象 限 で あ る か が わ か ります. 検 板 の 差 し込 み の 影響 図14に 見 られ る よ う に,c軸 を 中心 と した ア イ ソジ ャ イヤ ー で 囲 まれ た 四 つ の 区 画 か ら な る 干 渉 像 を見 な が ら 石 膏 の検 板 を挿 入 します.そ の と き四 種 類 の 区 画 が 青 色 と黄 色 に着 色 し ます.石 膏 検 板 の 挿 入 方 向 がX'で あ り, 一 軸 性 結 晶 の 正 と負 でc軸 の 周 りで のX'とZ'の 方 向 が 逆 に な って い るか らで す(図2).第 一 象 限 お よび 相 対 す る 第 三 象 限 が 青 色 く,第 二 象 限 お よ び相 対 す る 第 四 象 限 が 黄 色 の もの は 正 号 結 晶 で す(図14左).そ の 逆 が 負 結 晶 で す(図14右). 13.二 軸 性 結 晶(斜 方 晶 系,単 斜 晶 系,三 斜 晶 系) の 干 渉 像 Z軸 に垂 直 な 薄 片 光 学 的弾 性 軸Zに 垂 直 な薄 片 を顕 微 鏡 の ス テ ー ジ に 載 せ て み ま し ょ う.こ の と き,図15aで はY軸 は 前 後 で, X軸 を左 右 で す.す な わ ち光 軸 面 は左 右 方 向 にあ ります. そ の 時 の 干 渉 像 は 一 軸 性 結 晶 の もの に似 て い ます.次 に ス テ ー ジ を 時 計 周 りに45。 回 転 す る と,ア イ ソ ジ ャ イヤ ー が 割 れ て 図15bお よ び カ ラ ー 図 版(2)左 上 に示 した 干 渉像 にな ります.図15のA,Bは 光 軸 です.た だ し,2V 値 が 大 き くな る につ れ て,二 つ の 光 軸 点 間 の距 離 は 長 く
図14一 軸 性 結 晶 の 干 渉 色(Interference color of uniaxial crystal.)
図15二 軸 性 結 晶 の 干 渉 色(黒 田 吉 益,諏 訪 兼 位,1983 よ り).(Interference color of biaxial crystal (From Y. Kuroda and K. Suwa,1983).)
偏 光 顕 微 鏡 を使 って み ませ ん か な り,光 軸 点 は視 野 の外 に 出 ま す. ス テ ー ジ を回 転 す る と,一 軸 性 結 晶 で は,ア イ ソジ ャ イヤ ーは 平行 に移 動 す るの み で す が,二 軸性 結 晶 で は,ア イ ソ ジ ャ イヤ ー は 彎 曲 し ます.こ れ に よ って,た とえ結 晶 軸 が 傾 斜 して い て も,一 軸 性 結 晶 か 二 軸 性 結 晶 かが わ か りま す.た とえ 一 軸 性 で も レ ンズ の 収 差 に よ っ て,ア イ ソ ジ ャイ ヤ ー が 少 し彎 曲 して 見 え る こ とが あ り ます の で,注 意 が 必 要 で す. 検 板 の差 し込 み の 影響 正 号 結 晶 で は,図15bの よ う に 二 本 の 光 軸 点A,Bの 中 心 に光 学 的 弾 性 軸Zが あ り ます.こ れ に石 膏 検 板 を挿 入 す る と,青 色(白 丸)と 黄 色(黒 丸)に 色 付 き ます (カ ラ ー 図 版2右 上).ま た,図15bの よ う に見 え る と き,2VはZ軸 を挟 ん で90。 よ り小 さい こ と を示 して い ま す.し か し,ア イ ソ ジ ャ イ ヤ ー が 視 野 の 外 に出 る と,2V が どの程 度 大 きい か わ か らず,正 負 の判 定 は で きませ ん. そ の と きユ ニ バ ー サ ル ス テ ー ジ とい う装 置 が必 要 で す. 負 号 結 晶 で は,二 本 の 光 軸 の 中 心 にX軸 が あ り,青 色 と黄 色 の位 置 が逆 にな りま す.こ うの よ う に して,正 号, 負 号 の 区 別 は,石 膏 検 板 を差 し込 む こ と に よっ て わ か り ます.Y軸 が 視 野 の 中心 に あ る と き は,ア イ ソジ ャ イヤ ー は見 られ ず,正 負 の区 別 は で き ませ ん . 14.ユ ニ バ ー サ ル ス テ ー ジ(Uス テ ー ジ)に よ る 2V値 の 測 定 二 つ の ガ ラ ス の 半 球 に 薄 片 を挟 ん で偏 光 顕 微 鏡 で 観 察 します.名 前 の通 り,顕 微 鏡 の ス テ ー ジ上 で,水 平 か ら 60。 程 度 まで 薄 片 を 自在 に傾 け た ま ま 回転 で き ます .半 球 の 屈 折 率 はL516,1557,1.649な どで あ り,調 べ よ う とす る結 晶 の 屈 折 率 に近 い 半 球 を選 び ます.半 球 と薄 片 の 問 に グ リセ リ ンな ど の 液 体 を挟 み,薄 片 と半 球 を 一体 化 し ます.こ れ ら に よ っ て,薄 片 を傾 け る こ とか ら生 じ る光 の屈 折 の 影 響 をで き る だ け小 さ くで き ます.さ らに この 液 体 は 薄 片 を半 球 の 間 で 滑 ら か に移 動 させ る潤 滑 油 の 役 目 も担 っ てい ます. 図15bの 干 渉 像 の右 上 か ら左 下 に向 か っ てY軸 が あ り ます.こ のY軸 で 薄 片 を傾 け 光 軸 点(A)を 視 野 の 中心 に持 って きま す.こ の と きのUス テ ー ジの 傾 斜 角 度 を読 ん で お き ます.さ らに反 対 方 向 に 回転 して光 軸 点(B)を 中心 に持 っ て き ます.こ の 間 の 角 度 が 光 軸 角 で す 。 Uス テ ー ジ に よ る一 方 向 へ の 薄 片 の 傾 斜 可 能 な 角 度 は お よそ600で す.図15のZ軸 が 紙 面 よ り大 き く傾 い て い る と,光 軸 点 の 一 つ は視 野 の外 に出 ます .Uス テー ジを 傾 け て も,そ の 光 軸 点 が 視 野 の 中心 まで 入 っ て 来 な け れ ば,光 軸 角 は 測 れ ませ ん.敢 て 測 ろ う とす れ ば,複 雑 な 作 業 が 必 要 で す.Uス テ ー ジ を用 い て 光 学 的 弾 性軸X,Y, Zの 方 向 を決 め て,こ れ らを ウル フ ネ ッ トに投 影 し ます . ま た,光 軸 が 観 察 で きれ ば,こ れ も投 影 し ます.ウ ル フ ネ ッ ト上 で,光 軸 か らX軸 あ る い はZ軸 まで の 角 度 が わ か れ ば,2倍 して2Vと します.光 学 的弾 性 軸 の 方 向 の 測 定 誤 差 は大 きい の で,2V値 の 誤 差 も大 き く出 ます.試 料 が あ れ ば,二 つ の 光 軸 が 視 野 の 中 に 入 る よ う な 薄 片 を作 れ ば よ い で し ょ う.Z軸 を挟 ん で2Vが120。 の と き,X 軸 を挟 ん で60° で あ り,こ の と きX軸 に対 して 垂 直 あ る い は ほ ぼ垂 直 な薄 片 を作 れ ば よい の で す. Uス テ ー ジ も一 式100万 円程 度 で し ょ うか.Uス テ ー ジ を取 り付 け る だ け の 空 間 的 ゆ と りが ス テ ー ジ と対 物 レ ンズ の 問 に な け れ ば な りませ ん.日 本 製 の 顕 微 鏡 で も,取 り付 け不 可 能 な もの が 多 く,顕 微 鏡 の 購 入 時 に は注 意 が 必 要 で す.近 年,ユ ニバ ー サ ル ス テ ー ジ を使 用 す る研 究 者 が 少 な くな っ た か らで しょ うか. 15.観 察 例 エ デ イ ン トン沸 石(ゼ オ ラ イ ト)(図16) あ る 人 は あ る 産 地 のエ デ イ ン トン沸 石 をX線 で 解析 し て 正 方 晶 系 で あ る と主 張 し,別 の 人 は 同 じ産 地 の 試料 を 解 析 して 斜 方 晶 系 で あ る と考 え ま した.す な わ ち 二 つ の 多 型 が あ る と信 じ られ て い た の で す.こ の 時,鉱 物 学 で は,こ れ ら に別 々 の名 前 を付 け る こ とに な っ てい ます.グ ラ フ ァ イ トとダ イ ヤ モ ン ドの よ うに で す.し か し,偏 光 顕 微 鏡 で 観 察 す る と,一 つ の結 晶 が 二 種 類 の 分 域 か らな っ て い た こ とが わ か りま した.図16は(001)薄 片 の偏 光 顕 微 鏡 写 真 で す.X線 解 析 で 正 方 晶系 と さ れ て い た分 域 の2V値 は22° で あ り,実 際 は斜 方 晶系 また は そ れ よ りも 対 称 性 が 低 い は ず で す.さ ら に,詳 し く観 察 す る と,消 光 の 方 位(光 学 的 弾 性 軸 の 方 位)は 形 態 のa軸 あ るい は [110]な どの特 別 な 方 位 よ りか な り外 れ て お り,こ の 分 域 は単 斜 晶系 あ るい は三 斜 晶 系 で あ る こ とが わ か ります. X線 で 斜 方 晶 系 と考 え られ て い た分 域(2V=52。)も ま た単 斜 晶 系 あ る い は 三 斜 晶 系 まで 対 称 は低 下 して い た 図16エ デ イ ン ト ン 沸 石 の 交 叉 偏 光 顕 微 鏡 写 真(001)に 平 行.(Edingutonite between crossed polars. Parallel to (001).)
秋月瑞彦 の で す.消 光 角 は 対 称 性 の度 合 い を,ま た2v値 はAl/Si の秩 序 一無 秩 序 の 度 合 い に対 応 して い ます.2Vの 小 さい と こ ろ は,ア イ ソ ジ ャ イ ヤ ー が 互 い に近 付 い て お り,暗 く見 え ます.交 叉 す れ ば 一 軸 性 結 晶 で 真 っ暗 で す.一 方, 2Vの 大 きい と こ ろ で は,ア イ ソ ジ ャ イヤ ーが 開 い て い る と こ ろで,明 る く見 え ます. 沸 石 のAl/Si配 列 は成 長 面 上 の ス テ ップ の 動 く方 向 に よ っ て秩 序 構 造 が 違 っ て くる の で す.正 方 晶 系 の エ デ イ ン トン沸 石 のAl1Si配 列 は 無 秩 序 で あ る はず で す.し か し, 完 全 に 無 秩 序 で は な く,極 わ ず か に い ろ い ろ な秩 序 配 列 を して い れ ば,た と えX線 解 析 で は 正 方 晶 系 で も,い ろ い ろ な結 晶構 造 を持 っ た 三 斜 晶 系 まで 下 が ります.光 は 対 称 性 や 結 晶 構 造 に 極 め て敏 感 で す.こ の敏 感 さの 故 に, 19世 紀 以 来,光 学 的 な対 称 性 は異 常 だ と考 え られ て き て, 光 学 異 常 と い う言 葉 が 生 まれ ま した. ス チ ル バ イ ト沸 石(図17) 19世 紀 以 来,こ の 鉱 物 は 単 斜 晶系 で あ る と考 え られ て きま した.X線 で の 解 析 論 文 も幾 つ か あ り ます.図17は (010)面 に平 行 な薄 片 の ス ケ ッチ で す.偏 光 顕 微 鏡 で 観 察 す る と,{110}分 域 は単 斜 晶 系 で す が,{001}分 域 は斜 方 晶 系 で す.記 号oはorthorhombicを,記 号mはmono-clinicを 示 して い ます.X線 で の 詳 細 な解 析 で も,1001} 分 域 は 斜 方 晶 系 です.一 層 注 意 深 く光 学 的 に観 察 す る と, 二 種 類 の分 域 は,と も に三 斜 晶 系 で す 。三 斜 晶 系 の 対 称 性 は,今 の と こ ろ,X線 解 析 で は わ か り ませ ん.し か し, 光 学 的 に 三 斜 晶 系 で あ れ ば,そ の単 位 格 子 も また 三 斜 晶 系 で す.エ デ イ ン トン沸 石 で は,少 な く と も正 方 晶 系 と 斜 方 晶 系 の 二 種 類 が 在 る と想 像 され,ス チ ル バ イ ト沸 石 図17ス チ ル バ イ ト沸 石 の 結 晶 組 織(oio)に 平 行.(Crystal texture of stilbite. Pazallel to(010).)
は 単 斜 晶 系 の み と思 わ れ て い ま した.研 究 者 の怠 慢 だ と 言 っ て しま え ば そ れ まで で す が,偏 光 顕 微 鏡 で た だ 見 る の で は な く,し っ か り研 究 して い れ ば,単 斜 晶 系 と斜 方 晶 系 の 二 種 類 の 分 域 が 発 見 され て い た で し ょう.単 斜 晶 系 だ け,あ る い は 斜 方 晶系 だけ の ス チ ル バ イ ト沸 石 は存 在 し ませ ん.必 ず 分 域 を作 って い ます.し た が って,対 称 が 違 っ て も,た だ一 つ ス チ ル バ イ ト沸 石 と呼 ぶ こ と に な ります. トル マ リ ン(電 気 石)(図18) トル マ リ ンは19世 紀 以 来 三 方 晶 系 の 鉱 物 で した.す な わ ち 光 学 的 に 一 軸 性 結 晶 で した.し か し,著 者 は こ の度 初 め て 二 軸 性(2V=30°)の トル マ リ ン を見 出 し ま し た.二 軸性 の と き は決 して 三 方 晶 系 で は あ りませ ん.結 晶 面 に 対 応 す る成 長 分 域 に よっ て対 称 性 は異 な ります が, こ の トル マ リ ンは 三 方 晶 系,斜 方 晶系,単 斜 晶 系,あ る い は 三 斜 晶 系 か ら成 っ て い ます.0{0221},c{0001},r {1011},m{1010},a{1120}の 五 つ の 分 域 の うち,o分 域 は 三 斜 晶 系 で す.光 学 的弾 性 軸Zは 外 向 きで す.2V値 も 記 され て い ます. トル マ リ ンは結 晶 形 態 が 比 較 的 規 則 正 しい の で,形 態 か ら結 晶 軸 の 方 向 が か な り精 度 良 く決 め られ ます.特 にc 軸 の 方 向 は精 度 良 く決 め られ ます.c軸 に平 行 な 薄 片 で, 光 学 的弾 性 軸Xが 結 晶 軸 よ り数 度 違 っ て い れ ば,た ち ど こ ろ に こ の トル マ リ ンは 単 斜 晶 系 あ る い は 三斜 晶 系 で あ る と判 断 で き ます.次 に,c軸 に垂 直 な薄 片 を作 る と,Z お よ びY軸 の 方 向 が わ か ります.こ の 方 向 が 結 晶 軸aと 平 行 で な けれ ば,こ の 結 晶 は 三斜 晶 系 で す.平 行 な ら ば, 単 斜 晶 系 で す.以 上 は特 に難 しい 問 題 で はあ り ませ ん. 2V=30° の分 域 か ら結 晶片 を取 り出 してX線 で 解 析 す る と,当 然 なが ら三 斜 晶 系 です.X線 の み で 三斜 晶 系 の ト ル マ リ ン を探 し出 す の は 容 易 で は あ り ませ ん.し か し, (0001)お よ びc軸 に 平 行 な 薄 片 をつ くれ ば,対 称 性 は 瞬 時 にわ か る の で す. 図18ト ル マ リ ン の 交 叉 偏 光 顕 微 鏡 写 真(001)に 平 行. (Tourmaline between crossed polazs. Parallel to(001).)
偏光 顕微鏡 を使 ってみ ませ んか
図 版1薄 片 に お け るRと λ0と 明 る さ と の 関 係 を 示 す 図(坪 井 誠 太 郎,1966よ り)左 側.(Relation between R and to in thin section (From S. Tuboi,1966).)
干 渉 色 図 表(坪 井 よ り)右 側.(The interference color diagram(From S . Tuboi,1966).)
図 版2三 斜 晶 系 ト ル マ リ ン の 干 渉 像(左 上).(Interference figure of triclinic tourmaline(upper left) .)
三 斜 晶 系 ト ル マ リ ン の 干 渉 像 と 石 膏 検 板 に よ る 着 色(右 上).(Interference color of triclinic tourmaline by gypsum plate(upper right).)
1,5-dichloro-2,3-dinitrobenzene結 晶 の 分 域 双 晶 と 石 膏 検 板 に よ る 着 色(左 下) .(lnterference color of sectors of 1,5-dichloro-2,3-dinitrobenzene by gypsum plate(lower left).)
1,5-dichloro-2.,3-dinitrobenzene結 晶 の 成 長 方 向(矢 印)と 光 軸 角(右 下) .(Growth directions and opticaxial angle of 1,5-dichloro-2,3-dinitrobenzene(lower right).)
秋月瑞彦
図191,5-dichloro-2,3-dinitrobenzene結 晶 の 分 域 双 晶(大) と 石 膏 検 板(小).光 学 的 弾 性 軸(Y,Z)と 石 膏 検 板 で の 光 の 振 動 方 向(X',Z').(Sector twins of 1,5-dichloro-2,3-dinitrobenzene(lazge) and gypsum plate
(small).) 1,5-dichloro-2,3-dinitrobenzene(図19) この 有 機 結 晶 は ク ロ ロホ ル ムや ベ ンゼ ン の溶 媒 に溶 け, ス ラ イ ドガ ラ ス の 上 で 簡 単 に作 る こ とが で き ます.ス ラ イ ドガ ラ ス の上 で の 形 態 は正 方 形 で す.し か し,四 つ の 分 域 双 晶 か らな り,光 学 的 に斜 方 晶 系 で す.各 分 域 で は 正 方 形 の 稜 に 沿 って 光 学 的 弾 性 軸Zが あ り,こ の 稜 に垂 直 にY軸 が あ ります(図19).そ の た め に正 方 形 の 稜 が 顕 微 鏡 の 視 野 の 左 右,上 下 方 向 に保 た れ る と,す べ て の 分 域 は 同 時 に消 光 して 分 域 は見 え ませ ん.し か し,こ の 結 晶 を ス テ ー ジ 上 で45。 回転 して 石 膏 の検 板 を 入 れ る と, 相 対 す る二 つ の 分 域 は青 色 に,相 対 す る 他 の 二 つ の 分 域 は黄 色 に 成 る の で す(カ ラ ー 図 版2右 下).こ こ で 初 め て 四 つ の分 域 が 観 察 で き,論 文 に分 域 を表 す と き は カ ラ ー写 真 に しな け れ ば な り ませ ん . (0001)面 上 で の ス テ ップの 動 く方 向(カ ラ ー 図 版2右 下 矢 印)に よっ て,光 学 的 方 向 が 異 な り,石 膏 の 検 板 を 挿 入 す る と,分 域 の 違 い が 初 め て わか りま す.
