2. Световая микроскопия

В световой микроскопии лучи света от микрообъекта, проходя через последовательные системы собирательных линз — объектив и окуляр,— дают в соответствии с законами оптики увеличенное изображение изучае­мого образца. Пучок света, проходящий через исследуемый образец или отраженный от него, меняет одну или несколько характеристик (длину -■!■: волны, интенсивность, фазу или плоскость поляризации), что сопровожда­ется различными оптическими эффектами — поглощением, отражением, преломлением, дифракцией, интерференцией, дисперсией, люминесценцией и другими, которые в совокупности и составляют изображение. В настоя­щее время световая микроскопия — это целый комплекс методов, исполь­зующих различные оптические эффекты. Существуют, например, ультра­фиолетовая, инфракрасная, поляризационная, интерференционная, люми­несцентная, фазово-контрастная микроскопия. Наличие тех или иных оптических эффектов, помимо других факторов, зависит от способа осве­щения: различают микроскопию отраженного и проходящего света. В пер­вом случае пучок света падает перпендикулярно или наклонно на по­верхность микрообъекта, а изображение его компонентов строится за счет лучей, отраженных поверхностью; во втором — микрообъект помещается в пучок света, так что изображение его компонентов строится за счет лучей, прошедших через весь объем микрообъекта.

Благодаря многообразию оптических эффектов комплекс микроскопиче­ских методов позволяет наглядно выявить наличие различных компонентов в микропробе и их пространственное распределение, а также измерить оптические константы отдельных составляющих, по которым их можно идентифицировать. Чтобы выбрать оптимальную схему микроскопического исследования, необходимо хорошо знать оптические свойства материалов живописи и возможности различных микроскопических методов.

Световые микроскопы. Сравнительно доступные, простые и удобные

аналитические приборы. Микроскопы проходящего света состоят из специ-

142 ального опорного штатива, на оптической оси которого последовательно

смонтированы следующие основные узлы: источник света и устройство для его юстировки, полевая диафрагма для ограничения размеров пучка света, конденсор для фокусировки пучка света на микрообъект, встроенная в кон­денсор апертурная диафрагма для регулирования освещенности препара­та, столик для закрепления и перемещения препарата с микрообъектом, а также для фокусировки оптической системы на препарате, фотонасадка.

В микроскопах отраженного света между конденсатором и объективом помещается полупрозрачный опак-иллюминатор, позволяющий через один объектив освещать микрообъект и наблюдать его в отраженном свете.

Поскольку человеческий глаз может непосредственно воспринимать изменения длины волны (цвет) и интенсивность (яркость) только видимого света в области 400—700 нм, изменения света в ультрафиолетовой и ин­фракрасной областях, а также изменения фазы и плоскости поляризации светового потока визуально не воспринимаются. Поэтому в ультрафиолето­вой, инфракрасной, в фазово-контрастной и поляризационной микроскопии необходимы специальные приспособления, преобразующие соответствую­щие оптические эффекты в изменения длины волны и яркости светового потока в видимой области.

Оптическая система микроскопа характеризуется увеличением, число­вой апертурой объектива, его разрешающей способностью и глубиной резкости.

Увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра. Увеличение (например, 10 ^х) обозначается на боковой поверх­ности объектива и в верхней части окуляра. Обычно на световых микро­скопах работают при увеличениях до 1000 ^х. Смена увеличений достигается путем смены объективов и окуляров, однако в некоторых современных моделях возможно также плавное изменение увеличения.

Числовая апертура определяется соотношением диаметра линз объ­ектива и его фокусного расстояния и обозначается на боковой поверхности объектива. При возрастании апертуры увеличивается его светосила, что улучшает качество изображения.

Разрешающая способность — это минимальное расстояние между точками микрообъекта, которые глаз может видеть раздельно. Предельно возможная разрешающая способность светового микроскопа ограничива­ется длиной световой волны. Например, для желто-зеленого света с длиной волны 500 нм она составляет 250 нм (0,25 мкм). Эта величина ограничива­ет размеры микрообъектов, наблюдаемых в световом микроскопе величи­ной 0,5—1,0 мкм. Разрешающая способность возрастает при увеличении числовой апертуры (например, при использовании более светосильных объективов или если между объективом и микрообъектом поместить им­мерсионную жидкость с высоким показателем преломления) и при умень­шении длины волны света (если освещать препарат вместо видимого более коротковолновым, ультрафиолетовым светом).

Глубина резкости — это расстояние вдоль оптической оси микроскопа, в пределах которого изображение микрообъекта наблюдается резким. Она возрастает при уменьшении диаметра апертурной диафрагмы конденсора и падает с ростом увеличения объектива.

Для тонких постоянных препаратов при работе в проходящем свете глубина резкости достаточна даже для объективов с увеличением 60—90 ^х. Однако при работе в отраженном свете глубина резкости ограничивает возможности наблюдения нешлифованных образцов при увеличениях объ­ектива свыше 20 ^х, поэтому в этом случае необходимы шлифы с хорошо полированной поверхностью.

Из отечественных моделей световых микроскопов для предварительно­го просмотра микропроб живописи в отраженном свете, определения ее

структуры и примерного состава, а также для приготовления пробы к даль­нейшему исследованию и ее микрохимического анализа применяются бинокулярные микроскопы типа МБС с увеличением до 100 ^х. Они обладают большим полем зрения, а расстояние между объективом и микропробой в них составляет 5 см, что удобно для препаративной работы. Наличие источника света позволяет работать по методу косого освещения.

Для детального анализа компонентов микропробы наиболее удобны и эффективны отечественные микроскопы из серии «Полам» (ЛОМО): «Полам» Р-112 и С-112 для проходящего света, «Полам» Р-312 — для отраженного. Эти микроскопы снабжены светосильной оптикой высокого качества, специальным осветителем и бинокуляром, что позволяет полу­чать яркое и четкое стереоизображение при увеличениях до 1000 ^х по методу светлого и темного полей в обычном и поляризованном свете. Мик­роскоп укомплектован фотоаппаратом для фиксации микроскопического изображения на фотопленку 35 мм.

Микроскопия в отраженном свете. Используется прежде всего для исследования поверхности непрозрачных, то есть сильно поглощающих или рассеивающих свет микропроб. Микроскопическое изображение в этом случае строится за счет поглощения, зеркального и диффузного отражений (рассеяния) *, а в ультрафиолетовой области — также за счет люминес­ценции.

В отраженном свете наиболее целесообразно проводить стратиграфи­ческий анализ многослойных образцов живописи на поперечных шлифах: оценивать количество слоев и их линейные размеры, анализировать рас­пределение отдельных компонентов в пределах каждого слоя, определять цвет, форму, размеры индивидуальных зерен каждого компонента в кра­сочном слое или грунте. Чтобы избирательно выявить отдельные компо­ненты на поперечных шлифах при работе в отраженном свете, эти компо­ненты часто окрашивают с помощью специфических микрохимических реакций.

Микроскопию в отраженном свете применяют в процессе проведения микрохимического, сорбционного и термического анализов.

Микроскопия в проходящем свете. Используется для детального изучения любых окрашенных и бесцветных компонентов. При работе в про­ходящем свете микропробу обычно помещают в постоянный иммерсионный препарат, что улучшает качество изображения и делает микроскопию более информативной. Микроскопическое изображение в этом случае строится за счет поглощения, пропускания и преломления света. Контуры бесцветных зерен в проходящем свете образуются темной и светлой по­лосками Бекке, возникающими за счет различий показателей преломлен:-зерен и иммерсионной среды. В некоторых минералах контуры мог -строиться за счет красной и голубой полосок, возникающих в результат-дисперсии белого света на краях зерен. В самых мелких зернах 0,5—2 мкм приближающихся по размеру к пределу разрешающей способности микро­скопа, контур отмечается разноцветными кольцами, возникающими прм дифракции света. Оба эти фактора — дисперсию и дифракцию — необхо­димо учитывать при анализе цветовых характеристик мелкодисперсные пигментов при работе в проходящем свете.

Микроскопия в проходящем свете, особенно при использовании поля­ризованного света, а также фазово-контрастного и иммерсионного мето­дов, позволяет получать разнообразную информацию о компонента!

* При зеркальном отражении падающий свет только один раз отражается от гла;*.:й поверхности вещества, так что угол падения и угол отражения равны. При диффузном с~м жении свет многократно отражается неоднородной поверхностью, прежде чем пот.^^аг~ в объектив.

микропробы по различиям в поглощении, в морфологических характери­стиках зерен и кристаллооптических константах. При средних увеличениях 100—200 ^х проводят общую оценку количества компонентов и их распреде­ление в микропробе. При больших увеличениях 400—1000 ^х детально оценивают и измеряют цветовые и морфологические характеристики инди­видуальных зерен и их кристаллооптические константы, а по ним проводят групповую или индивидуальную идентификацию отдельных компонентов.

Метод косого освещения. Применяется при работе в отраженном свете, обычно при предварительном изучении микропробы. Изображение при таком освещении строится за счет зеркального и диффузного отраже­ний света от компонента микропробы. Варьируя угол освещения и вращая осветитель вокруг оптической оси микроскопа, с помощью этого метода можно выявить в микропробе небольшие примеси зерен с сильным зеркаль­ным отражением на фоне избытка компонентов того же цвета, но с пре­обладающим диффузным рассеянием, например зерна гематита среди красной глинистой охры, зерна кварца или пленки связующего на фоне мела. Важная особенность косого освещения — наличие темной тени у объемных зерен, лежащей со стороны, противоположной источнику света и увеличивающей контраст между зерном и фоном.

Метод светлого поля. Основан на освещении препарата пучком света перпендикулярно его поверхности. В этом случае изображение получается на светлом фоне. Если в пробе преобладают компоненты с сильным зер­кальным отражением, например кальцит, то при работе в отраженном свете возникают нежелательные эффекты «засветки» поля зрения, что мешает наблюдать другие компоненты и значительно ограничивает возможность применения этого метода.

В проходящем свете, особенно с применением поляризованного света, он широко используется для микроскопического исследования любых, и особенно слабоокрашенных и бесцветных, компонентов красочного слоя и грунта в постоянных иммерсионных препаратах.

Метод темного поля. Применяется, в основном, при работе в отра­женном свете. Если объект равномерно осветить светом, падающим под малым углом к его поверхности, то лучи света, зеркально отраженные от деталей образца, не попадут в объектив микроскопа и микроскопическое изображение на темном фоне будет строиться только за счет диффузного отражения. Это позволяет избежать нежелательной «засветки» компонен­тами с сильным зеркальным отражением. Освещение под малыми углами осуществляется либо с помощью специальных зеркальных объективов, либо с помощью пластинки с зачерненной центральной частью, которая помещается в конденсор. Метод темного поля позволяет наблюдать любые окрашенные компоненты в микропробе на фоне избытка белых компонен­тов с сильным зеркальным отражением, что невозможно в случае светлого поля.

Цветовые характеристики пигментов, полученные при работе в отра­женном свете при малых увеличениях по методу темного поля за счет диффузного отражения, будут зависеть не только от поглощения, но и от формы и размеров частиц или степени их неоднородности. Поэтому для более правильной оценки цветовых характеристик в этом случае необходи­мо работать при больших увеличениях, когда хорошо видны отдельные частицы пигментов.

Метод фазового контраста. Служит для преобразования различий в показателях преломления отдельных компонентов — фазового контра­ста — в различия цвета или яркости. Он наиболее эффективен для исследо­вания в проходящем свете прозрачных бесцветных компонентов, различаю­щихся показателями преломления, с близкими величинами двупреломле-

10 Заказ 193 . -

ния или оптически изотропных. Поэтому метод позволяет различать некоторые минеральные и органические компоненты, в том числе слоистые силикаты, а также выявлять неоднородности состава в пределах одного зерна или агрегата зерен, что бывает важно при анализе пигментов.

Принцип метода состоит в том, что луч света, освещающий препарат, с помощью фазово-контрастной приставки (например, КФ-4) разделяется на два: один проходит через препарат, другой—через специальную пластинку в объективе, позволяющую сдвигать фазу. Между двумя лучами возникает разность хода, которая зависит от различий в показателях пре­ломления компонентов и от величины сдвига фаз в приставке. В поле зрения эти два луча совмещаются и интерферируют за счет разности хода. Поэтому если в микропробе два зерна различаются показателями пре­ломления, то при освещении препарата одно будет темней, а другое — светлей. Эти зерна будут также обладать различной интерференционной окраской, яркость и цвет которой будет зависеть от их показателей пре­ломления и толщины. В настоящее время метод фазового контраста нашел особенно широкое применение в микроскопии биодеструкторов живописи.

Кристаллооптический метод. Для этого метода характерно то, что микроскопическое изображение строится за счет оптических эффектов, возникающих при взаимодействии поляризованного света с компонентами микрообъекта. Для этого применяются поляризационные микроскопы, у которых между конденсором и столиком помещен поляризатор, а между объективом и окуляром — анализатор (специальные пластинки, которые избирательно пропускают лучи только с одной плоскостью поляризации и поглощают все остальные). Поэтому свет, проходя через них, поляризу­ется. Вращая поляризатор или анализатор вокруг оптической оси микро­скопа, можно менять направление плоскостей поляризации света.

В поляризационном микроскопе препарат можно освещать либо параллельным, либо сходящимся (коноскопическим) пучком поляризо­ванного света, для чего между источником света и конденсором вводится специальная коноскопическая линза. Между объективом и окуляром встроена линза Бертрана для наблюдения так называемых коноскопиче-ских фигур. Столик микроскопа, на котором фиксируется препарат, снабжен по периметру угловой шкалой. Вращая столик вокруг оптической оси, можно измерять углы между любым выделенным направлением в мо­нокристаллическом компоненте микропробы и направлением плоскостей поляризации в поляризаторе и анализаторе. Микропробу при работе этим методом помещают обычно в иммерсионную жидкость, чаще всего — в постоянный иммерсионный препарат, что улучшает качество изображе­ния. Наиболее доступны, удобны и эффективны при исследовании микро­проб живописи отечественные поляризационные микроскопы проходящего света из серии «Полам» (ЛОМО).

В поляризационном микроскопе можно выявить компоненты микроп­робы и оценить их пространственное распределение по различиям в кристаллооптических константах, набор которых характерен для каждого твердого вещества. Это наличие или отсутствие двулучепреломления, его величина, оптический знак, количество и направление оптических осей (осность), угол угасания, плеохроизм. Чтобы в поляризационном микро­скопе измерить эти константы и по ним идентифицировать компоненты микропробы, применяются следующие основные кристаллооптические эф­фекты: интерференционная окраска, ее угасание при вращении поляриза­тора и анализатора, коноскопические фигуры, изменение цвета и интенсив­ности окрашенных кристаллов при вращении поляризатора.

Твердые вещества по степени однородности делятся на изотропные 146 и анизотропные. Изотропными называются вещества, у которых физиче-

ские и химические свойства одинаковы во всех направлениях. Из материа­лов живописи в эту группу входят все аморфные вещества, такие, как пигменты-стекла (смальта и александрийская фритта), все органические пигменты и связующие, некоторые глинистые минеральные пигменты, а также кристаллические пигменты с кубической сингонией — лазурит (ультрамарин), оксиды Са, М.§, Си. Все эти вещества имеют единственный показатель преломления по и не поляризуют преломленный свет.

Большинство кристаллических веществ, в том числе минеральные пигменты, анизотропны; их свойства не одинаковы по различным направле­ниям кристаллов. Степень анизотропии определяется симметрией эле­ментарной ячейки кристаллов — так называемой сингонией. В то время как кристаллы с высокой сингонией (кубической) являются изотропными, средняя (гексагональная, тетрагональная, тригональная) и низшая (ром­бическая, моноклинная, триклинная) характерны для анизотропных кристаллов.

Анизотропным веществам присуще явление двойного лучепреломле­ния (двулучепреломления, двупреломления): по одному направлению распространяются два плоскополяризованных луча, у которых плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, а показатели преломления раз­личны. Анизотропные кристаллы в общем случае характеризуются тремя показателями преломления: п_е — наибольший, п_т — средний, п_р— наи­меньший. Направления преломленных лучей, их плоскости поляризации и величины показателей преломления для каждого кристалла описываются так называемой оптической индикатрисой — графиком зависимости пока­зателей преломления от направления падающего луча. Она представляет собой эллипс, направление осей которого соответствует оптическим осям кристалла, а их величина равна п_я и п_р.

В кристаллах средней сингонии, оптически одноосных, преломленный луч света распадается на два луча: обыкновенный, неполяризованный, с показателем п₀, не зависящим от направления падающего луча, и «нео­быкновенный» (поляризованный) с показателем преломления п_е, завися­щим от направления падающего света. Одноосные кристаллы характеризу­ются оптическим знаком: если п_е> п_о, то есть если п_е = п₈, а п_о = п_р, то кристалл оптически положителен, а если п_о> п_е, то есть п_о = п_е, а п_е = п_р, то — оптически отрицателен.

В кристаллах низшей сингонии, называемых двуосными, кроме обык­новенного луча с показателем п_т, можно обнаружить в зависимости от направления два «необыкновенных» (поляризованных) луча с показателя­ми преломления п_е и п_р. Двуосные кристаллы характеризуются углом 2У, определяемым по оптической индикатрисе. Если 2У>90°, то кристалл оп­тически положителен, а если 2У<90° — то оптически отрицателен.

Величина двулучепреломления Дгс для любых анизотропных кристал­лов равна разнице между наибольшим и наименьшим показателями преломления, то есть Ап=п_е—п_р.

Бесцветные анизотропные компоненты микропробы можно выявить с помощью кристаллооптического эффекта интерференционной окраски. Если образец осветить монохроматическим светом при скрещенных под углом 90° поляризаторе и анализаторе, то анизотропные компоненты будут выглядеть светлыми на темном фоне. Если в тех же условиях их осветить белым светом, то эти компоненты будут выглядеть окрашенными в разные цвета. Такая окраска называется интерференционной, так как она возника­ет за счет интерференции в анизотропных кристаллах двух лучей с разными показателями преломления. Изотропные компоненты как в монохроматиче­ском, так и в белом свете будут выглядеть черными и сливаться с черным фоном. Это позволяет наблюдать только анизотропные компоненты.

Цвет и интенсивность интерференционной окраски определяются произведением величины двупреломления Ап=п_г—п_р и толщины кристал­ла в направлении распространения света А/, то есть А/г-Л/. По мере увеличения этого произведения цвет и интенсивность интерференционной окраски будут периодически меняться. Совокупность окрасок одного пери­ода называется порядком окраски.

Эффект периодического изменения интерференционной окраски осо­бенно наглядно можно наблюдать с помощью эталонного кварцевого или гипсового клина, в котором толщина плавно возрастает. Вначале при очень малой толщине окраска серая, затем по мере увеличения толщины она последовательно сменяется белой, желтой, бурой, оранжевой и красной. Эти окраски образуют первый порядок интерференционной окраски, вслед за которым при дальнейшем увеличении толщины клина последовательно идут окраски второго порядка: фиолетовые, голубые, зеленые, желтые и снова красные. При дальнейшем увеличении толщины окраски в таком же порядке периодически повторяются, но их интенсивность падает. В зер­нах пигментов обычно наблюдаются окраски 1, 2, 3 и 4-го порядков.

Для оценки порядка интерференционной окраски в зернах ее сравни­вают с окраской эталонного кварцевого или гипсового клина. Для этого клин помещают в специальное отверстие в тубусе поляризационного мик­роскопа и двигают его до тех пор, пока интерференционные окраски зерна и клина не станут близки по цвету и интенсивности. Оценив порядок окра­ски в зерне, по таблицам можно определить величину произведения А/г- А/. Затем измеряют толщину зерна А/, последовательно фокусируя микровинт на верхнюю и нижнюю грани зерна и отмечая количество деле­ний, на которые он переместился. Предварительно микровинт должен быть проградуирован на образцах с известной толщиной.

По величинам Аи-А/ и Д/ можно определить дп=я_г—п_р, то есть величину двупреломления данного анизотропного зерна в микропробе. Необходимо помнить, что измерить величину двупреломления по интерфе­ренционной окраске сравнительно просто только в бесцветных кристалли­ческих компонентах. В окрашенных кристаллах интерференционная окра­ска накладывается на окраску за счет поглощения, что часто затрудняет оценку двупреломления. Кроме того, важно иметь в виду, что сравнивать компоненты микропробы по интерференционной окраске можно только в зернах одинаковой толщины. В зернах разной толщины необходимо вводить поправку: при увеличении толщины порядок интерференционной окраски возрастает, при уменьшении — падает.

Различия в интерференционной окраске позволяют оценить число компонентов в микропробе, не определяя их природы, а также провести их групповую идентификацию. Кристаллооптический метод — наиболее про­стой и удобный метод группового определения органических компонен­тов — пигментов и связующих. Поскольку они оптически изотропны и не имеют интерференционной окраски, их легко отличить от большинства минеральных пигментов, обычно анизотропных. Оптическая изотропность является также диагностическим признаком пигментов-стекол (смальты и александрийской фритты), некоторых глинистых минералов (аллофана, галлуазита), кристаллических пигментов с кубической сингонией (лазури­та, оксидов Си, Са, М§).

Очень важно при работе кристаллооптическим методом предваритель­но просмотреть интерференционную окраску в порошкообразных препара­тах эталонных пигментов и связующих.

При работе с поляризационным микроскопом полезно знать некоторые закономерности, связывающие величины двупреломления и строение ани­зотропных минералов: при возрастании атомного номера катиона в мине-

рале величина двупреломления в его зернах возрастает (РЬ>Ре>Са^М§), при увеличении размера аниона в минерале величина двупреломления уменьшается (сульфиды >оксиды>карбонаты>сульфаты^глинистые минералы). По порядку интерференционной окраски можно оценивать класс или группу минерала: яркую радужную окраску даже в зернах раз­мером 1—2 мкм имеют оксиды РЬ, 5п, 2п, "Л, некоторые сульфиды (реаль­гар, аурипигмент), яркая радужная окраска в зернах 5—10 мкм наблюда­ется в большинстве карбонатов и в некоторых слюдах при определенных ориентациях, яркую желтую окраску в зернах 5—10 мкм имеют некоторые гидрослюды; светлая желтая или серая окраска наблюдается в сульфатах, фосфатах, большинстве глинистых минералов, гидрооксидах А1 и М§.

Не менее существенный момент исследования — определение направ­ления оптических осей и эффекта погасания кристалла. Если оптические оси монокристалла совпадают с направлением плоскости поляризации поляризатора или анализатора, то при скрещенном поляризаторе и анали­заторе наблюдается полное затемнение (погасание) зерна кристалла. Если же оптические оси кристалла составляют угол 45° с плоскостями поляриза­ции поляризатора или анализатора, то наблюдается максимальное про­светление. Поэтому при вращении препарата вокруг оптической оси микроскопа на 360° в зернах монокристаллов четыре раза будет наблю­даться погасание и четыре раза — просветление. Таким образом можно определить ориентацию оптических осей в каждом анизотропном монокри­сталлическом зерне. В поликристаллических агрегатах вследствие случай­ной ориентации микрокристаллов полного погасания и просветления не наблюдается, что позволяет отличить зерна-монокристаллы от поликри­сталлических агрегатов.

Чтобы определить, какая из осей соответствует осям п_я и п_р, образец при скрещенных поляризаторе и анализаторе ставится на просветление, после чего между препаратом и анализатором вводится специальная ком­пенсационная пластинка с известной ориентацией этих осей. Если однои­менные оси в исследуемом кристалле и компенсационной пластинке параллельны, то порядок интерференционной окраски увеличивается, а ес­ли перпендикулярны, то — уменьшается. Сравнивая соотношения величин п_е и по в одноосных кристаллах, определяют их оптический знак.

При освещении препарата сходящимся пучком света с помощью линзы Бертрана при объективах 60 ^х—90 ^х на отдельных зернах-монокристаллах можно наблюдать специфические кристаллооптические эффекты — темные коноскопические фигуры в виде креста для одноосных кристаллов или в форме ветвей гиперболы для двуосных кристаллов. Анализ формы коно-скопических фигур позволяет определить в зерне важные диагностические признаки — количество оптических осей, оптический знак, угол 2У. К со­жалению, эту весьма информативную модификацию кристаллооптического метода довольно трудно применить для анализа компонентов микропробы, так как большинство наиболее распространенных минеральных пигментов очень сильно диспергированы и не дают четких коноскопических фигур. Однако в некоторых минеральных компонентах с достаточно большой твердостью, присутствующих в материалах живописи в виде довольно крупных зерен, все же можно наблюдать эти фигуры.

В кристаллах многих минералов группы, ответственные за поглощение света (хромофоры), ориентированы относительно оптических осей кристалла. Если такие кристаллы вращать вокруг оптической оси микро­скопа при включенном поляризаторе и выключенном анализаторе, то они будут менять цвет или интенсивность окраски. Этот эффект называется плеохроизмом. Однако необходимо помнить, что обнаружить его можно не при всех ориентациях зерен. Это важный диагностический признак, по

которому можно определить вивианит, глауконит, гидрооксиды Ре, некото­рые основные и примесные компоненты земляных пигментов — нонтронит, хлорит, ярозит, биотит, роговые обманки, турмалин, апатит, а также ней­тральную медную соль уксусной кислоты Си(СН₃СОО)₂— одну из разно­видностей яри-медянки.

Иммерсионный метод. Применяется для определения показателей преломления индивидуальных зерен минеральных и органических компо­нентов микропробы. Показатели преломления можно измерять для зерен с размерами до 1—2 мкм. Зерна помещают в иммерсионную жидкость с известным показателем преломления. Если зерно минерала или любого другого компонента микропробы, находящегося в среде с другими показа­телями преломления, осветить параллельным пучком проходящего света, то вокруг зерна за счет преломления света на границе двух сред образуются темная и светлая линии Бекке. Светлая полоска возникает в среде с боль­шим, а темная — в среде с меньшим показателем преломления.

При увеличении расстояния между препаратом и объективом микро­скопа светлая линия Бекке смещается в сторону высокопреломляющей среды, а при уменьшении — в сторону низкопреломляющей. Для очень малых зерен, размер которых сравним с шириной линии Бекке, характерно просветление зерна, когда линия Бекке смещается в его сторону, и затемне­ние, когда она смещается в сторону среды. В минералах с большими показателями преломления могут наблюдаться светлые линии за счет других эффектов, искажающих эффект Бекке, что необходимо учитывать при определении показателей преломления. Если показатели преломления среды и зерна равны, линии Бекке исчезают.

Наборы иммерсионных жидкостей с показателями преломления от 1,4 до 1,78 выпускаются промышленностью. (С течением времени они изме­няются и требуют проверки или обновления.) Жидкости с более высокими показателями преломления, чем 1,78, готовят по специальным методикам.

Для определения показателей преломления компонентов микропробы ее необходимо предварительно тщательно растереть иглой или глазным скальпелем на предметном стекле, чтобы разрушить контакт минеральных компонентов и органических связующих. Для этого можно добавить на предметное стекло каплю спирта. Еще лучше отобрать из микропробы или непосредственно из красочного слоя отдельные зерна.

Диспергированную микропробу или отобранные зерна накрывают кусочком покровного стекла и готовят временный иммерсионный препарат, для чего каплю иммерсионной жидкости из стандартного набора с нужным показателем преломления набирают тонкой стеклянной палочкой или пипеткой и касаются ее кончиком одновременно предметного и края по­кровного стекол. Под действием капиллярных сил жидкость втягивается под покровное стекло.

Наблюдая расположение светлой линии Бекке относительно зерна и ее движение при изменении расстояния между препаратом и объективом, сравнивают показатели преломления зерна п_з и иммерсионной жидкости п_ж. Если п_з~>п , то следующую иммерсионную жидкость нужно взять так, чтобы п_з<.п_ж. Если п<с.п_ж, то следующую жидкость нужно взять с п_з>п_ж. Таким образом оценивают интервал, внутри которого лежат значения п . Постепенно сужая интервал п_ж, подбирают такую жидкость, для которой п_з=п_ж, то есть до исчезновения линии Бекке.

Для смены иммерсионных жидкостей с одной стороны покровного стекла помещают кусочек фильтровальной бумаги, а с другой — каплю следующей иммерсионной жидкости, как это описано выше. Чтобы по­лностью вытеснить одну жидкость и заменить ее другой, процедуру повто­ряют три-четыре раза.

Для изотропных материалов измерение показателей преломления «о з микропробе не представляет трудностей. Для определения анизотропных минералов необходимо измерить показатели преломления % и п_р. Для этого с помощью компенсационной пластинки измеряют п_е и п_р в несколь­ких однотипных зернах и выбирают среди них соответственно наибольшее или наименьшее значение. Такая точность, как правило, достаточна для идентификации анизотропных минералов по показателям преломления.

Определение показателей преломления в компонентах микропробы часто затруднено. Во-первых, зерно минералов может покрывать пленка связующего, которая будет искажать его показатель. (Чтобы избежать этого, необходимо выбирать либо зерна без пленок, либо край зерна, сво­бодный от пленок.) Во-вторых, многие минеральные компоненты красочно­го слоя или грунта сильно диспергированы. Тем не менее даже измерение средних или промежуточных значений п_й и п_Р весьма полезно для диагно­стики минеральных компонентов.

Для предварительной оценки природы минеральных и органических компонентов микропробы полезно знать некоторые закономерности, связы­вающие показатели преломления со строением вещества. Величина показа­теля преломления растет с увеличением атомного номера катиона в мине­ралах и органических пигментах: РЬ>5п>Ре>>Са^М^, в минеральных и органических пигментах его величины падают с ростом размеров аниона: сульфиды>оксиды>карбонаты>>сульфаты >органические анионы, при образовании кристаллогидратов — уменьшаются. В органических пигмен­тах при введении в молекулу катионов металлов величины яо возрастают.

Примером использования иммерсионного метода при исследовании микропроб живописи может служить выявление небольших примесей ангидрита («1 % ) в гипсе. Ангидрит в таких количествах почти невозмож­но выявить ни рентгенофазовым анализом, ни методом ИК-спектроскопии. Эти бесцветные минералы в пигментах похожи по морфологическим ха­рактеристикам и близки по величинам двупреломления, но различаются по показателям преломления. Величина п_р (наименьший показатель) для ангидрита больше, чем величина п_й (наибольший показатель) для гипса. Выбрав иммерсионную жидкость с таким п , чтобы п_р (ангидри­та) > п_ж>п_е (гипса), легко выявить по эффекту Бекке присутствие в микропробе малых примесей ангидрита.

Ультрафиолетовая и люминесцентная микроскопия. Проводится, как правило, на специальных ультрафиолетовых микроскопах, конструктивно схожих с соответствующими приборами для видимого света. В этих микро­скопах применяется оптика из кварцевого стекла, прозрачного для ультра­фиолетовых лучей в области 220—400 нм. В качестве источников света используется ртутная лампа высокого давления СВД-12ОА.

Помимо специальных приборов, в области 360—400 нм, ограниченной пропусканием стеклянной оптики, можно работать на любых световых микроскопах (в том числе и на описанных выше), если использовать в каче­стве источников света осветитель ОИ-28 с галогеновой лампой и набором светофильтров.

Исследование микропроб живописи на ультрафиолетовых микроско­пах проводят обычно в свете видимой люминесценции либо в отраженных ультрафиолетовых лучах на шлифах.

На некоторых современных приборах невидимое ультрафиолетовое изображение преобразуется в видимое с помощью флуоресцентных экра­нов или электронно-оптических преобразователей, и тогда в отраженных ультрафиолетовых лучах можно работать как на обычных световых микро­скопах. Если указанные преобразователи отсутствуют, изображение реги­стрируют фотографически.

Если поместить компоненты микропробы в постоянный или временный иммерсионный препарат, используя для этого кварцевое стекло и нелюми-несцирующие прозрачные в ультрафиолетовой области иммерсионные жидкости, то можно проводить микроскопическое исследование в проходя­щем ультрафиолетовом свете при больших увеличениях 200—600 ^х по методу светлого или темного поля.

По сравнению с обычной световой ультрафиолетовая микроскопия имеет ряд важных преимуществ при исследовании микропроб живописи, которые особенно наглядны при стратиграфическом анализе шлифов.

Уменьшение длины волны при работе в ультрафиолетовой области увеличивает апертуру объектива, и за счет этого возрастает разрешающая способность микроскопа. Многие бесцветные (не поглощающие в видимой области) компоненты живописи, которые трудно различить в обычном световом микроскопе, имеют интенсивные максимумы поглощения в уль­трафиолетовой области, то есть обладают «ультрафиолетовой окраской». Кроме того, многие окрашенные материалы, и прежде всего минеральные и органические пигменты, имеют в ультрафиолетовой области более интен­сивные, чем в видимой, максимумы поглощения.

Спектры поглощения в ультрафиолетовой области многих желтых и бесцветных материалов живописи очень круто спадают в сторону длин­ных волн, благодаря чему микроскопическое изображение в отраженных ультрафиолетовых лучах получается очень контрастным.

При освещении препарата ультрафиолетовым светом микроскопиче­ское изображение помимо перечисленных выше эффектов, характерных для видимой области, строится также за счет люминесценции, что позволя­ет наглядно выявить в микропробе компоненты-люминофоры и их про­странственное распределение, а также получить информацию об их составе по основным люминесцентным характеристикам — цвету и интенсивности свечения.

Инфракрасная микроскопия. Осуществляется на специальных ин­фракрасных микроскопах, снабженных электронно-оптическими преобра­зователями. Фотофиксация инфракрасного изображения не требует ни специальных приборов, ни осветителей. На обычном световом микроскопе с лампой накаливания в качестве источника света можно фотографировать микроскопическое изображение в инфракрасных лучах, если применять фотопластинки, чувствительные в инфракрасной области 0,8—1,5 мкм.

Наводка на резкость из-за различий в величине фокусного расстояния объективов в видимой и инфракрасной областях требует соблюдения тех же правил, что и при обычной фотосъемке на инфракрасных фотомате­риалах.

Подготовка проб для микроскопического исследования. Успех микро­скопического исследования в значительной мере определяется качеством препаратов, приготовляемых из микропроб. В световой микроскопии наи­более распространены препараты в виде поперечных шлифов и постоянных иммерсионных препаратов.

Приготовление постоянных иммерсионных препаратов. В постоянном иммерсионном препарате микропроба или ее компоненты заключены в про­зрачную, бесцветную, нелетучую иммерсионную жидкость с довольно высоким показателем преломления 1,54 — обычно пихтовый или канадский бальзам, вследствие чего качество микроскопического изображения при исследовании компонентов микропробы в проходящем свете значительно улучшается. Это связано с тем, что показатели преломления бальзама близки к показателям преломления органических и многих минеральных компонентов микропробы, и поэтому зеркальное и диффузное отражения в постоянных препаратах сведены до минимума и отсутствует нежелатель-

ный эффект засветки в образцах с избытком белых пигментов или с пленка­ми органических материалов. Микроскопическое изображение в посто­янном препарате строится только за счет пропускания, поглощения и преломления света компонентами микропробы. Благодаря этому цвето­вые характеристики компонентов красочного слоя и грунта мало зависят от эффектов рассеяния света, то есть от формы и размеров зерен, и определя­ются в основном спектрами поглощения. Это позволяет более правильно оценивать их цветовые характеристики. Присутствие иммерсионной среды увеличивает числовую апертуру объектива, повышая тем самым разреша­ющую способность микроскопа, что особенно важно для мелкодисперсных пигментов.

Постоянный препарат сохраняется в течение длительного времени. С помощью ксилола всегда можно растворить бальзам в препарате и из­влечь компоненты микропробы. Благодаря этому постоянный препарат играет роль документа, он позволяет сохранять микропробы и вновь вер­нуться в случае необходимости к анализу их компонентов.

Приготовление постоянных препаратов несложно, хотя и требует определенных навыков и опыта. Для этого необходимы покровные и пред­метные стекла, пихтовый или канадский бальзам, спирт, ксилол или ацетон, а также набор различных инструментов, применяемых обычно в зубовра­чебной технике,— препаровальных игл, глазных скальпелей, микрошпате­лей. Твердый бальзам предварительно растворяют ксилолом или ацетоном до такой консистенции, чтобы капля жидкого бальзама медленно стекала с кончика иглы.

Исследуемая микропроба помещается на чистое предметное стекло и измельчается с помощью иглы или глазного скальпеля, после этого на нее наносят каплю бальзама и накрывают кусочком покровного стекла. Чтобы бальзам равномерно заполнил пространство между предметным и покров­ным стеклами и смочил микропробу, препарат можно слегка подогреть на спиртовке или осторожно надавить на поверхность покровного стекла.

Приготовление постоянных иммерсионных препаратов однослойной живописи обычно не вызывает затруднений. Однако приготовить хорошие, достаточно представительные постоянные препараты многослойной живо­писи довольно сложно. Для этого можно применить два способа. При одном способе можно отобрать кусочек микропробы с хорошо выраженны­ми слоями и поместить его на предметное стекло так, чтобы слои были перпендикулярны поверхности стекла; препарат микроскопируют при не­больших увеличениях для определения количества и структуры красочных слоев и основных компонентов в них, после чего микропробу в препарате раздавливают. Для этого можно осторожно надавить обратной стороной препаровальной иглы на поверхность покровного стекла и легко двигать покровное стекло относительно предметного вращательными или поступа­тельными движениями. Таким образом предварительно просмотренные отдельные слои микропробы можно разделить, а затем наблюдать их, как в препарате однослойной живописи. При другом способе компоненты из отдельных слоев микропробы предварительно разделяют и отбирают под микроскопом типа МБС с помощью препаровальной иглы и для каждого из них приготовляют отдельный препарат. Хотя этот способ более трудоемок и требует специальных навыков и опыта, он более предпочтителен при исследовании многослойной живописи, так как время, затраченное на приготовление отдельных препаратов, окупается тем, что их микроскопиро-вание проще и удобней, а интерпретация результатов — надежней.

Приготовление поперечных шлифов. Поперечные шлифы необходимы для детального стратиграфического анализа. В него входят микроскопиче­ское наблюдение и фотофиксация количества, структуры, размеров и рас-

41. Микрофотография шлифа поперечного сечения частицы мас­ляной живописи: 1— слой лака, 2— красочный слой, 3— грунт, 4— поперечное сечение нити холста, 5— продольное сече­ние нити.

42. Микрофотография поперечного сечения частицы многослой­ной живописи, показывающая последовательность нанесения красочных слоев.

43. Микрофотография поперечного сечения частицы красочного слоя с частью штукатурки (вверху); а—фрагмент шлифа в обычном свете, б — в свете видимой люминесценции, пока­зывающей двухслойный характер красочного слоя.

пределение отдельных слоев в многокомпонентных красочных слоях и грун­тах, а также анализ распределения пигментов и связующих в пределах одного слоя (рис. 41—43). Такой анализ можно проводить не только на шлифах. Однако в нешлифованных микропробах поверхности объемных компонентов находятся на разных расстояниях от объектива, и поэтому их трудно наблюдать одновременно при больших увеличениях вследствие малой глубины резкости. Кроме того, в нешлифованных микропробах трудно измерить толщину отдельного слоя и размеры зерен пигментов.

В хорошо отшлифованных и отполированных поперечных шлифах поверхности зерен различных компонентов находятся на одном уровне, и малая глубина резкости не мешает наблюдать и фотографировать раз­личные слои при больших увеличениях. В правильно приготовленных поперечных шлифах слои срезаны перпендикулярно их поверхности, поэто­му в таком шлифе можно наиболее точно измерять толщину отдельных слоев *.

Чтобы приготовить поперечный шлиф, микропробу живописи макси­мально возможной толщины (красочный слой с грунтом для станковой живописи и с частью грунта — для настенной) помещают в полимерный блок. Такие блоки получают в специальных формочках, от которых поли­мер легко отделяется. Наиболее удобно использовать матрицы из мягких и эластичных силиконовых полимеров с несколькими ячейками глубиной 15—20 мм и диаметром до 10 мм. Такая матрица не прилипает к наиболее распространенным материалам, применяемым для получения полимерных блоков — эпоксидным смолам и акриловым полимерам, а готовые блоки легко вынимаются из ячеек матрицы.

Для приготовления полимерных блоков используют эпоксидные смо­лы, дающие очень твердые, жесткие и прозрачные блоки, а также акрило­вые полимеры из наборов «Протакрил» или «Норакрил», применяемые в зубоврачебной технике.

Для получения шлифов хорошего качества необходимо, чтобы твер­дость микропробы и твердость полимера в блоке были сравнимы, так как в противном случае проба будет крошиться при шлифовке. Жидкие компо­ненты полимеризационной смеси также должны хорошо смачивать по­верхность пробы до начала полимеризации, поскольку загустевшая смесь будет плохо смачивать пробу и при полимеризации вокруг нее возникнут пустоты. При шлифовке такого блока проба будет разрушаться. Поэтому микропробу перед погружением в полимеризационную смесь целесообраз­но смочить жидкими компонентами полимеризационной смеси.

Обработанную таким образом пробу помещают в ячейку матрицы, куда предварительно залита свежеприготовленная полимеризационная смесь. Красочные слои образца должны быть перпендикулярны поверхно­сти будущего шлифа, для чего эту процедуру желательно контролировать с помощью микроскопа. Если проба полностью не погружается в полимери­зационную смесь, поверх нее добавляют еще немного смеси, чтобы она полностью закрыла пробу.

После того как полимеризация блока закончилась, готовый блок вынимают из ячейки. На нижнюю или на боковую поверхность блока нано­сят обозначения, необходимые для регистрации шлифа в лабораторном журнале. Затем блок шлифуют последовательно на грубых, средних и тон­ких наждачных бумагах. Если поверх пробы в блоке находится толстый слой полимера, то для ускорения шлифовки его целесообразно удалить на шлифовальной машине до появления пробы на поверхности блока. Оконча-

* В ряде случаев для увеличения сечения слоев целесообразно делать, наоборот, косые 156 шлифы, в которых красочный слой срезан под острым углом к его поверхности.

тельную шлифовку проводят на матовом стекле с помощью алмазной пасты, что значительно ускоряет процесс и улучшает качество шлифуемой поверхности. Требуется так же полировка на куске кожи, сукна, фланели.

Шлифы и тонкие срезы сравнительно эластичных образцов масляной живописи можно быстро приготовить в восковых или парафиновых блоках. Для этого расплавленный воск или парафин заливают в пластмассовую трубку диаметром 10—15 мм и высотой 15—20 мм, одним концом предвари­тельно приклеенную капелькой воска к предметному стеклу. Микропроба помещается в расплавленный воск или парафин, а после его застывания вместо шлифовки делается срез опасной бритвой. Этот прием позволяет получать и непрозрачные шлифы, и тонкие срезы, а также упрощает и со­кращает процедуру приготовления. Такие шлифы, конечно, хуже по качеству, чем полученные в полимерных блоках. Для темперной и настен­ной живописи этот метод не применим из-за большой твердости красочного слоя или грунта.

На шлифах микропроб живописи можно проводить локальный по­слойный анализ химического состава каждого слоя и его отдельных компонентов с помощью микрохимического, лазерного микро-спектрально-го, электронного и микрозондового методов без изъятия этих компонентов из пробы. Очень удобно на шлифах оценивать наличие каких-либо компо­нентов и их распределение в отдельных слоях пробы с помощью реагентов, избирательно окрашивающих эти компоненты: связующих при окраске гистохимическими красителями, слоистых силикатов (глинистых минера­лов) с высокой катионообменной емкостью с помощью основных органиче­ских красителей и люминофоров, свинцовых белил за счет реакции с КЗ в кислой среде.