편광 현미경 관찰

두께 30 μm로 간 화강암과 감람암 박편을 보통 빛으로 보면, 석영도 감람석도 거의 무색 투명해서 가리기 어렵다. 그런데 편광판 두 장을 서로 수직으로 겹친 직교 니콜에서 보면, 석영은 옅은 회백색으로, 감람석은 화려한 파랑과 분홍으로, 석류석은 회전판을 돌려도 계속 까맣게 보였다. 같은 두께로 갈았는데 왜 색이 다를까? 그리고 회전판을 돌리면 왜 어떤 각도에서 까맣게 어두워질까?

1.7.1두 갈래로 나뉜 빛

첫 편광판을 지난 빛은 한 방향으로만 진동한다. 대부분의 광물은 결정 안에서 방향에 따라 굴절률이 달라, 이 빛이 광물에 들어가면 진동 방향이 서로 수직인 두 빛으로 나뉘어 서로 다른 빠르기로 지나간다. 이 성질을 복굴절이라 한다. 박편을 지나는 동안 느린 빛은 빠른 빛보다 조금 뒤처지고, 두 빛이 둘째 편광판에서 다시 합쳐질 때 간섭한다. 뒤처진 거리, 곧 위상 지연에 따라 어떤 파장은 보강되고 어떤 파장은 상쇄되어 흰빛이 색을 띤다. 이것이 간섭색이다.

석류석처럼 결정 구조가 모든 방향으로 같은 등방성 광물은 굴절률이 하나뿐이어서 빛이 나뉘지 않는다. 그래서 첫 편광판의 빛이 그대로 둘째 편광판에 막혀 어떻게 돌려도 검게 보인다. 이방성 광물도 결정의 특정한 방향이 편광판의 방향과 나란해지면 빛이 한 갈래로만 지나가 검게 어두워진다. 회전판을 한 바퀴 돌리면 90°마다 네 번 어두워지는 이 소광 현상이 등방성 광물과 이방성 광물을 가르는 첫 기준이다.¹

1.7.2두께가 맞아야 색을 읽는다

간섭색은 위상 지연에 따라 정해지므로 두께가 바뀌면 색도 바뀐다. 그래서 박편은 표준 두께 30 μm로 정확히 간다. 두께를 확인할 때는 박편 속 석영의 간섭색이 1차 회백색인지 본다. 석영이 노란빛을 띠면 박편이 너무 두꺼운 것이다. 같은 광물이라도 잘린 방향에 따라 복굴절이 달라 알갱이마다 색이 조금씩 다르므로, 여러 알갱이 가운데 가장 높은 간섭색을 그 광물의 값으로 본다.

1.7.3예제 풀이

석영은 \(30\,000\ \mathrm{nm} \times 0.009 = 270\) nm, 감람석은 \(30\,000 \times 0.035 = 1050\) nm이다. 270 nm는 1차의 회백색에서 옅은 노랑 사이이고, 1050 nm는 2차의 파랑에서 초록 근처로 감람석이 훨씬 화려하게 보인다.

45 μm이면 석영의 위상 지연은 \(45\,000 \times 0.009 = 405\) nm로, 1차의 노란색에서 주황색으로 보인다. 그러면 석영을 복굴절이 더 큰 다른 광물로 잘못 볼 수 있다. 그래서 박편의 두께를 석영의 색으로 먼저 확인한다. 즉 편광 현미경은 광물마다 다른 복굴절이 만드는 위상 지연과 간섭색, 그리고 소광으로 투명한 광물들을 가려낸다.

아래 탐구 카드에서 편광 현미경으로 암석 박편을 관찰하고, 소광과 간섭색으로 광물을 구별해 보자.

1. 편광 현미경으로 암석을 보는 방법은 1850년대 영국의 소비가 처음 체계적으로 썼다. 당시 사람들은 '현미경으로 산을 본다'며 비웃었지만, 지금은 암석을 분류하는 가장 기본적인 방법이다.