복굴절#

복굴절

복굴절은 자연광이 광학적 이방체에 입사했을 때, 서로 진동 방향이 다른 두 편광 성분으로 나뉘어 진행하는 현상이다.

복굴절에 의해 나뉜 두 광선은 보통 광선과 이상 광선으로 구분된다.

  • 보통 광선(O광선): 결정 내부에서 진행 방향에 관계없이 굴절률이 일정한 광선이다.
  • 이상 광선(E광선): 결정 내부에서 진행 방향에 따라 굴절률이 달라지는 광선이다.

복굴절의 발생 여부는 광물의 광학적 성질에 따라 달라진다.

광학적 등방체#

광학적 등방체는 빛의 진행 방향에 관계없이 광학적 성질이 같은 광물이다.

  • 투명한 광학적 등방체에서는 일반적으로 단굴절이 나타난다.
  • 빛의 진행 방향에 관계없이 굴절률이 일정하다.
  • 대표 광물: 암염, 형석, 석류석, 금강석 등

광학적 이방체#

광학적 이방체는 빛의 진행 방향이나 진동 방향에 따라 광학적 성질이 달라지는 광물이다.

  • 투명한 광학적 이방체에서는 일반적으로 복굴절이 나타난다.
  • 결정 내부에서 서로 다른 굴절률을 가지는 두 편광 성분이 형성될 수 있다.
  • 대표 광물: 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모, 석영 등

단, 광학적 이방체라도 광축 방향으로 진행하는 빛에서는 복굴절이 나타나지 않는다.

불투명 광물#

불투명 광물은 가시광선이 광물을 충분히 투과하지 못하는 광물이다.

  • 빛이 광물 내부를 통과하지 못하므로 일반적인 투과광 편광 현미경으로 내부를 관찰하기 어렵다.
  • 금속광택을 나타내는 광물은 자유 전자 등의 영향으로 빛을 강하게 반사하거나 흡수하는 경우가 많다.

광물의 광학적 성질 비교#

구분 광학적 등방체 광학적 이방체 불투명 광물
빛의 투과 투명한 경우 투과 투명한 경우 투과 일반적으로 투과하지 못함
복굴절 나타나지 않음 일반적으로 나타남 투과광으로 관찰하기 어려움
굴절률 방향에 관계없이 일정 방향에 따라 달라질 수 있음
대표 광물 암염, 형석, 석류석, 금강석 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모, 석영 황철석, 자철석 등

편광판을 활용한 복굴절#

편광판을활용한복굴절

점이 찍힌 종이 위에 투명한 방해석 결정을 올려놓으면 복굴절에 의해 점이 두 개로 보일 수 있다.

이는 방해석 내부에서 빛이 보통 광선과 이상 광선으로 나뉘어 진행하기 때문이다.

편광판을 이용한 관찰#

① 점이 찍힌 종이 위에 방해석을 올려놓는다.

  • 위에서 관찰하면 점이 두 개로 보인다.
  • 두 점은 보통 광선과 이상 광선에 의해 형성된 상이다.

② 방해석 위에 편광판을 올려놓는다.

  • 편광판의 투과축 방향에 따라 두 광선 중 하나가 주로 통과한다.
  • 따라서 특정 방향에서는 점이 하나만 뚜렷하게 보인다.

③ 편광판을 회전시킨다.

  • 편광판을 회전시키면 두 광선의 투과 세기가 달라진다.
  • 중간 각도에서는 두 점이 모두 보일 수 있다.
  • 편광판을 처음 위치에서 90° 회전시키면 처음에 보였던 점 대신 다른 점이 뚜렷하게 보인다.

즉, 편광판을 회전시키면 서로 다른 편광 방향을 가진 두 광선의 상을 구별할 수 있다.

방해석판을 회전할 때의 복굴절#

방해석판을회전할때복굴절

점이 찍힌 종이 위에 방해석을 올려놓으면 복굴절에 의해 점이 두 개로 보인다.

이 상태에서 방해석을 회전시키면 두 점의 위치 변화가 서로 다르게 나타난다.

  • 1번 점(보통 광선): 방해석을 회전시켜도 위치가 거의 변하지 않는다.
  • 2번 점(이상 광선): 방해석을 회전시키면 결정의 방향 변화에 따라 위치가 이동한다.

이는 보통 광선의 굴절률은 방향에 관계없이 일정하지만, 이상 광선의 굴절률은 결정 내부의 진행 방향에 따라 달라지기 때문이다.

따라서 방해석을 회전시키면 이상 광선에 의해 형성된 상이 보통 광선에 의해 형성된 상을 중심으로 이동하는 모습을 관찰할 수 있다.

편광 현미경의 구조#

편광현미경의구조

편광 현미경은 편광된 빛을 이용하여 광물의 광학적 성질을 관찰하는 현미경이다.

편광 현미경의 주요 구성 요소에는 상부 니콜, 하부 니콜, 재물대 등이 있다.

상부 니콜#

상부 니콜은 광물을 통과한 빛을 분석하는 편광 장치이다.

  • 분석기라고도 한다.
  • 하부 니콜에서 나온 편광이 광물을 통과한 뒤 어떻게 변했는지 관찰하는 데 이용한다.
  • 직교 니콜에서는 하부 니콜의 편광 방향과 수직이 되도록 배치한다.

하부 니콜#

하부 니콜은 광원에서 나온 빛을 한 방향으로 진동하는 편광으로 만드는 장치이다.

  • 편광기라고도 한다.
  • 자연광을 선편광으로 바꾼다.
  • 편광된 빛이 광물에 입사하도록 한다.

재물대#

재물대는 관찰할 광물 박편을 올려놓는 장치이다.

  • 광물 박편을 고정하여 관찰한다.
  • 재물대를 회전시키면서 광물의 색과 밝기 변화를 관찰할 수 있다.

개방 니콜#

개방 니콜은 하부 니콜만을 이용하여 광물을 관찰하는 상태이다.

  • 상부 니콜을 광로에서 제거한 상태이다.
  • 하부 니콜을 통과한 편광이 광물에 입사한다.
  • 광물의 색, 형태, 다색성 등을 관찰할 수 있다.

직교 니콜#

직교 니콜은 상부 니콜과 하부 니콜의 편광 방향이 서로 수직이 되도록 배치한 상태이다.

  • 상부 니콜과 하부 니콜을 모두 사용한다.
  • 두 편광 장치의 투과축은 서로 90°를 이룬다.
  • 소광과 간섭색 등을 관찰할 수 있다.

편광 현미경의 관찰#

편광 현미경에서는 개방 니콜과 직교 니콜 상태에 따라 관찰할 수 있는 광물의 광학적 성질이 달라진다.

  • 개방 니콜: 다색성 관찰
  • 직교 니콜: 소광, 간섭색 관찰

다색성#

다색성

다색성은 광학적 이방체인 유색 광물에서 빛의 진동 방향에 따라 흡수되는 빛의 정도가 달라져 색이나 색의 진하기가 변하는 현상이다.

  • 개방 니콜 상태에서 관찰한다.
  • 광학적 이방체에서 나타날 수 있다.
  • 주로 유색 광물에서 관찰된다.
  • 재물대를 회전시키면 광물의 색이나 색의 진하기가 달라질 수 있다.

이는 광물 내부에서 진동 방향에 따라 빛을 흡수하는 정도가 다르기 때문이다.

소광#

소광

소광은 직교 니콜 상태에서 광물 박편을 회전시킬 때 광물이 어둡게 보이는 현상이다.

광학적 이방체는 재물대를 회전시키면 밝기와 간섭색이 달라지다가 특정 방향에서 어둡게 나타난다.

  • 직교 니콜 상태에서 관찰한다.
  • 광학적 이방체는 재물대를 360° 회전시키는 동안 일반적으로 4회 소광한다.
  • 소광은 일반적으로 90° 간격으로 반복된다.

광학적 등방체는 직교 니콜에서 재물대를 회전시켜도 계속 어둡게 나타난다.

간섭색#

간섭색

간섭색은 직교 니콜 상태에서 광학적 이방체를 통과한 두 편광 성분의 광로 차이로 인해 나타나는 색이다.

광학적 이방체에 편광이 입사하면 서로 진동 방향이 다른 두 성분으로 나뉘어 진행할 수 있다.

두 성분은 굴절률이 달라 광물을 통과하는 동안 위상 차이가 발생한다.

이 빛들이 상부 니콜을 통과할 때 서로 간섭하면서 특정 파장의 빛이 강해지거나 약해진다.

  • 보강간섭: 두 빛의 위상이 일치하는 성분이 강해지는 현상이다.
  • 상쇄간섭: 두 빛의 위상이 반대인 성분이 약해지거나 사라지는 현상이다.

이러한 간섭에 의해 특정 파장의 빛이 상대적으로 강하게 나타나면서 간섭색이 관찰된다.

간섭색은 광물의 복굴절 정도와 박편의 두께 등에 영향을 받는다.

개방 니콜과 직교 니콜 비교#

구분 개방 니콜 직교 니콜
관찰 상태 하부 니콜 사용 상부 니콜과 하부 니콜 사용
광학적 등방체 관찰 가능 일반적으로 어둡게 나타남
광학적 이방체 관찰 가능 소광과 간섭색 관찰 가능
불투명 광물 일반적인 투과광 관찰 불가 일반적인 투과광 관찰 불가
주요 관찰 내용 색, 다색성 소광, 간섭색

예제#

광물의광학적성질과편광현미경예제

편광 현미경에서 편광 장치 A와 B를 이용하여 광물 M을 관찰하는 상황이다.

조건#

  • A와 B는 빛을 편광시키는 장치이다.
  • 광물 M은 A를 통과한 빛을 복굴절시킨다.
  • A를 통과한 빛과 B를 통과할 수 있는 빛의 진동 방향은 서로 수직이다.
  • 재물대를 회전시키면서 B를 통과한 빛을 관찰한다.

해설#

① 광물 M은 A를 통과한 빛을 복굴절시킨다.

A를 통과한 선편광이 광물 M에 입사하면 서로 다른 진동 방향을 가진 두 편광 성분으로 나뉘어 진행할 수 있다.

따라서 광물 M은 광학적 이방체이다.

② A와 B의 편광 방향은 서로 수직이다.

A는 하부 니콜, B는 상부 니콜에 해당한다.

두 편광 장치의 투과축이 서로 수직이므로 직교 니콜 상태이다.

③ 재물대를 회전시키면서 B를 통과한 빛을 관찰하면 간섭색과 소광 현상을 볼 수 있다.

광물 M이 광학적 이방체이므로 직교 니콜 상태에서 재물대를 회전시키면 밝기와 간섭색이 달라질 수 있다.

특정 방향에서는 소광이 일어나 광물이 어둡게 보인다.

따라서 광물 M을 관찰하면 다음 현상을 확인할 수 있다.

  • 복굴절
  • 간섭색
  • 소광