• 5

Работа 60. ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА АББЕ

Принадлежности: технический рефрактометр Аббе, набор стеклянных пла­стинок, прозрачные и непрозрачные жидкости с неизвестными показателями преломления, монобромнафталин, дистиллированная вода.

Технический рефрактометр Аббе служит для быстрого (и срав­нительно грубого) измерения показателей преломления жидких и твердых тел.

Устройство рефрактометра Аббе основано на явлении полного внутреннего отражения.

Пусть луч света падает на границу раздела двух сред со стороны оптически более плотной среды (п = /г2). Для углов падения г, меньших некоторого г', свет частично проникает в оптически менее плотную среду (п = пх), а частично отражается. При г' ^ г ^ 90° преломленный луч отсутствует и наступает полное отражение. Предельный угол г' соответствует углу преломления i = 90°, и следовательно,

sin г' = пх/п2.  (1)

Зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно с помощью (1) определить показа­тель преломления второй среды.

Пусть теперь свет падает на границу раздела со стороны опти­чески менее плотной среды. В зависимости от угла падения луч во второй среде может составлять с нормалью углы, расположен­ные в интервале от нуля до г'; предельный угол преломления г' соответствует углу падения i = 90° (скользящий луч). Легко видеть, что величина предельного угла и в этом случае определяется формулой (1).

При измерениях показателя преломления с помощью рефракто­метра Аббе можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча.

Оптическая схема рефрактометра представлена на рис. 185. Основной его частью являются две стеклянные прямоугольные призмы Рх и Р2, изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных тре­угольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 186. Свет проникает в призму Рх через грань ef и попадает в жидкость через матовую грань ed. Свет, рассеянный матовой по­верхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0 ix ^ 90°) падает на сторону ас призмы Р2«

Скользящему лучу в жидкости (i = 90°) соответствует предель­ный угол преломления г\. Преломленные лучи с углами больше г\ не возникают. В связи с этим угол /2 выхода лучей из грани ab может изменяться лишь в интервале от некоторого значения й до 90°.

Если свет, выходящий из грани аЪ, пропустить через собираю­щую линзу Ль то в ее фокальной плоскости наблюдается резкая граница света и темноты. Граница рассматривается с помощью линзы Л2. Линзы Лг и Л2 образуют зритель­ную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен

 

Рис. 185. Оптиче- Рис. 186. Ход лучей в приз- ская схема рефрак- мах при использовании тометра Аббе. метода скользящего луча.

Рис. 187. Ход лучей при ис­пользовании метода полного внутреннего отражения.

крест, образованный тонкими нитями. Положение границы в фо­кальной плоскости линз зависит от величины показателя пре­ломления жидкости nv Вращая трубу относительно призм, можно совместить границу раздела света и тени с центром креста. В этом случае измерение показателя преломления сводится к измерению угла /2, образованного нормалью к грани ab и оптической осью зрительной трубы. В современных приборах труба укрепляется неподвижно, а оправа с призмами может поворачиваться. С оправой скреплен указатель, перемещающийся по лимбу. Лимб градуируется непосредственно в значениях показателя преломления.

При измерении показателя преломления жидкости методом пол­ного внутреннего отражения призму Р2 освещают со стороны грани be (рис. 187) через специальное отверстие в кожухе прибора. Грань be делается матовой. Свет в этом случае падает на границу раздела ас

12 п/р Л, Л, Гольдина

под всевозможными углами. При гх > г\ наступает полное внутрен­нее отражение, при гх < г[ свет отражается лишь частично. В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полу­тени.

Так как условия, определяющие величину предельного угла в методе скользящего луча и в методе полного внутреннего отра­жения, совпадают, положение линии раздела в обоих случаях также оказывается одинаковым.

Заметим, что в отличие от метода скользящего луча метод пол­ного внутреннего отражения позволяет измерять показатели пре­ломления непрозрачных веществ.

Рефрактометр Аббе можно использовать и для измерения пока­зателей преломления твердых тел. И в этом случае применимы как

метод скользящего луча, так и метод полного внутреннего отражения. Ис­следуемый образец должен иметь пло­скую полированную поверхность; этой поверхностью он прижимается к ги­потенузе ас призмы Р2 (призма Рг при этом отклоняется в сторону). Для обеспечения оптического контакта в зазор между соприкасающимися по­верхностями вводится тонкий слой жидкости, показатель преломления п которой удовлетворяет условию: При выполнении этого условия наличие слоя жидкости не искажает результатов измерения. (Студентам предлагается самостоя­тельно разобраться в этом вопросе.) Обычно для создания оптиче­ского контакта используют монобромнафталин, показатель пре­ломления которого для желтых линий натрия равен 1,66.

При работе по методу скользящего луча (рис. 188) образец дол­жен иметь боковую Полированную поверхность, сквозь которую в него проникает свет.

Изложенная теория рефрактометра Аббе, строго говоря, спра­ведлива лишь в том случае, когда свет является монохроматическим. Дисперсия исследуемого вещества и стекла призм приводит к тому, что величина предельных углов г\ и i'2 зависит от длины волны L При работе с белым светом наблюдаемая в поле зрения граница света и темноты (или света и полутени) часто оказывается размытой и окрашенной. Для того чтобы получить и в этом случае резкое изображение, перед объективом трубы помещают компенсатор с переменной дисперсией. Компенсатор содержит две одинаковых дисперсионных призмы Амичи (призмы Пх и Я2 рис. 185), каждая из которых состоит из трех склеенных призм, обладающих различ­ными показателями преломления и различной дисперсией. Призмы

 

Рис. 188. Измерение показателя преломления твердых тел мето­дом скользящего луча.

Р 60. РЕФРАКТОМЕТР АББЕ

355

рассчитываются так, чтобы монохроматический луч с длиной волны

= 5893 А (среднее значение длины волны желтого дублета на­трия) не испытывал отклонения. Лучи с другими длинами волн отклоняются призмой в ту или иную сторону. Если положение призм соответствует рис. 185, то дисперсия двух призм равна удвоен­ной дисперсии каждой из них. При повороте одной из призм Амичи на 180° относительно другой (вокруг вертикальной оси) полная дисперсия компенсатора оказывается равной нулю, так как диспер­сия одной из призм скомпенсирована дисперсией другой. В зависи­мости от взаимной ориентации призм дисперсия компенсатора изменяется, таким образом, в пределах от нуля до удвоенного зна­чения дисперсии одной призмы.

Для поворота призм друг относительно друга служат специаль­ная рукоятка и система конических шестерен, с помощью которых призмы одновременно поворачиваются в противоположных направ­лениях. Вращая ручку компенсатора, следует добиваться того, чтобы граница света и тени в поле зрения стала достаточно резкой. Положение границы при этом соответствует длине волны для которой обычно и приводятся значения показателя преломле­ния nD.

В некоторых случаях, в тех именно, когда дисперсия исследуе­мого вещества особенно велика, диапазон компенсатора оказывается недостаточным и четкой границы получить не удается. В этом случае рекомендуется устанавливать перед осветителем желтый свето­фильтр F.

Приступая к измерениям, необходимо прежде всего убедиться в правильной работе прибора. Такую проверку проще всего выпол­нить, измерив показатель преломления вещества с известным пока­зателем преломления. Для этого к каждому прибору придается эталонная стеклянная пластинка с известным nD. В правильности работы прибора можно убедиться и в отсутствие такой пластинки, измеряя, например, показатель преломления дистиллированной воды, для которой (при Т = 20° С) nD = 1,33291. Если измерение дает другой результат, следует определить поправку к шкале.

При визуальном совмещении границы раздела света и тени с серединой креста нити наблюдатель, вообще говоря, допускает небольшие ошибки, в результате которых измеренные значения для одного и того же вещества в разных опытах не вполне точно совпадают между собой (случайный разброс). Рекомендуется поэтому проводить в каждом случае несколько измерений показателя пре­ломления и определять среднее значение.

Измерения. 1. Проделайте серию контрольных измерений показа­телей преломления эталонной стеклянной пластинки (или дистил­лированной воды) и убедитесь в правильной работе прибора.

2. Оцените случайную ошибку, возникающую при однократ­ном измерении показателя преломления.

3. Измерьте показатели преломления нескольких жидкостей и стеклянных пластинок (по указанию преподавателя), используя как метод скользящего луча, так и метод полного внутреннего отраже­ния. Сравните между собой результаты измерения показателя преломления разными методами.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я