편광 현미경과 광물 감정

화강암을 30 μm 두께로 얇게 갈아 박편을 만들면, 석영과 장석 알갱이는 유리처럼 투명해진다. 그런데 이 박편을 투과축이 서로 수직인 편광판 두 장 사이에 놓으면, 석영은 회백색으로, 감람석은 선명한 파랑과 분홍으로 빛난다. 재물대를 돌리면 알갱이마다 90°마다 한 번씩 캄캄해진다. 투명한 광물이 어떻게 색을 띠고, 그 색으로 어떻게 광물의 이름을 알아낼까?

복굴절 값

재물대 회전각 (°)

1.6.1복굴절

대부분의 광물은 방향에 따라 원자가 늘어선 간격이 달라, 빛이 진동하는 방향에 따라 굴절률이 다르다. 그래서 광물에 들어간 빛은 진동 방향이 서로 수직인 두 빛으로 나뉘어 서로 다른 빠르기로 나아간다. 이를 복굴절이라 하며, 두 굴절률의 차이를 복굴절 값 \(\delta n\)이라 한다. 박편을 빠져나올 때 느린 빛은 빠른 빛보다 \(\Delta = d\,\delta n\)만큼 뒤처진다. 위쪽 편광판에서 두 빛이 다시 한 방향으로 합쳐지며 간섭하는데, 지연이 파장의 정수배인 색은 지워지고 나머지 색만 남는다.

그림 1에서 두 값을 바꾸어 보자. 석영은 복굴절 값이 0.009라서 30 μm 박편의 지연이 270 nm이다. 가시광선의 모든 파장이 비슷하게 조금씩 밝아져 1차의 회백색으로 보인다. 감람석은 복굴절 값이 약 0.035라서 지연이 약 1050 nm이다. 일부 파장은 지워지고 일부는 밝아져, 2차의 선명한 색이 나타난다. 재물대를 돌려 0°와 90°로 맞추면 어느 광물이든 캄캄해진다. 이 소광의 방향과 결정의 모양이 이루는 각도 광물을 가리는 단서이다.¹

1.6.2편광 현미경으로 광물 가려내기

편광 현미경 관찰은 두 단계로 한다. 아래 편광판만 쓰는 개방 니콜에서는 광물 자체의 색, 결정의 모양, 쪼개짐, 그리고 재물대를 돌릴 때 색이 바뀌는 다색성을 본다. 흑운모는 갈색으로 짙어졌다 옅어지는 다색성이 뚜렷하다. 두 편광판을 모두 쓰는 직교 니콜에서는 간섭색, 소광, 쌍정을 본다. 사장석은 줄무늬 같은 쌍정으로, 석영은 낮은 간섭색과 쪼개짐이 없음으로, 방해석은 아주 높은 간섭색으로 알아본다. 등방성인 석류석과 화산 유리는 방향에 관계없이 굴절률이 같아 늘 캄캄하다.

1.6.3예제 풀이

\(\Delta = d\,\delta n\)이므로 \(d = 350\ \text{nm} \div 0.009 \approx 39000\) nm, 곧 약 39 μm이다. 박편이 표준 두께 30 μm보다 두껍게 갈렸다.

같은 박편의 다른 광물은 \(\delta n = 650\ \text{nm} \div 39000\ \text{nm} \approx 0.017\)이다. 두께를 30 μm로 잘못 알았다면 \(650 \div 30000 \approx 0.022\)로 계산해, 다른 광물로 착각할 수도 있었다. 즉 간섭색으로 광물을 가릴 때는 먼저 박편 속의 석영처럼 복굴절 값을 아는 광물로 두께를 확인해야 한다. 그래서 박편을 만들 때는 석영의 간섭색이 회백색이 될 때까지 조심스럽게 간다.

아래 탐구 카드에서 편광 현미경으로 박편을 관찰하고, 간섭색과 소광으로 광물의 이름을 알아내 보자.

1. 지연과 간섭색, 두께, 복굴절 값의 관계를 한 장에 정리한 그림을 미셸레비 도표라 한다. 1888년 프랑스의 지질학자 미셸레비가 만들어, 지금도 광물 감정에 그대로 쓰인다.