9.3. Описание установки

9.3.1. Принцип работы рефрактометра

Рефрактометр ИРФ - 454 БМ предназначен для непосредственного измерения показателя преломления n (или n_D) в диапазоне от 1,2 до 1,7 при =589,3 нм (среднее значение двух близких желтых линий в спектре паров натрия), а также средней дисперсии неагрессивных жидкостей и твердых тел.

Принцип действия прибора основан на явлении полного внутреннего отражения света при прохождении границы раздела двух сред с разными показателями преломления.

Несколько капель исследуемой жидкости (рис.9.2) помещают между двумя гипотенузными гранями А₁В₁ и АВ призм 3 и 1 соответственно. Призма 3 с матовой гранью А₁В₁ является осветительной, а призма 1 с хорошо отполированной гранью АВ измерительной.

Рис.9.2. Ход лучей в рефрактометре при исследовании в проходящем свете

Лучи от источника света падают на грань A₁С₁, преломляются, попадают на матовую поверхность А₁В₁ и рассеиваются этой поверхностью во всевозможных направлениях. Далее лучи проходят слой исследуемой жидкости и попадают на поверхность ВС призмы 1.

Рефрактометр может работать и в отраженном свете. Для этого используется зеркало 4, направляющее лучи от источника света на нижнюю часть измерительной призмы 1. Пройдя призму и слой исследуемой жидкости, лучи попадают на матовую поверхность А₁В₁ и рассеиваются.

Поскольку на рефрактометре исследуются вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления измерительной призмы, то лучи всех направлений, преломившись на границе жидкости и стекла (АВ), войдут в измерительную призму 1.

По закону преломления

(9.14)

где n, n₀ - показатели преломления исследуемой жидкости и измерительной призмы соответственно; ₁ - угол падения,  - угол преломления луча на грани АВ. С увеличением угла ₁ угол  также увеличивается, достигая некоторого максимального значения - предельного угла преломления. Так как зазор между призмами 1 и 3 мал, то приближенно можно считать лучи с наибольшим углом падения скользящими вдоль грани АВ, то есть _max=90. Тогда

(9.15)

По закону преломления (считаем для воздуха n_воз=1)

(9.16)

Причем

(9.17)

Исключая промежуточные углы ₁ и  из уравнений (9.15)-(9.17), получим формулу для определения показателя преломления образца:

(9.18)

Здесь  - преломляющий угол измерительной призмы. В нашем случае (рефрактометр Аббе) имеем =60. Тогда окончательно:

. (9.19)

Как видно из формулы, для определения показателя преломления необходимо и достаточно измерить лишь один параметр - угол , так как показатель преломления n₀ эталонной призмы и ее угол  являются константами прибора и известны с высокой точностью.

В верхнем оконце окуляра (рис.9.2) можно наблюдать разделение поля зрения на верхнюю светлую и нижнюю темную части; при этом положение границы света и тени определяется лучами, выходящими из призмы под определенным углом . Поворотом системы призм совмещают границу раздела светлого и темного поля с серединой перекрестия верхнего оконца окуляра. Система призм связана со шкалой, отградуированной в значениях показателей преломления. Шкала расположена в нижней части окуляра и при совмещении границы раздела светлого и темного поля с серединой перекрестия получают соответствующее значение показателя преломления жидкости .

По измеренным значениям показателя преломления для различных длин волн можно рассчитать среднюю дисперсию , соответствующую известным спектральным линиям . Дифференцируя формулу (9.19) и переходя от дифференциалов dn и d к соответствующим разностям для значений длин волн , получим:

, (9.20)

где значения угла  берут для любой длины волны в интервале от до . Угловая дисперсия и величина также берутся при этой длине волны (в нашем случае ) и могут быть определены на основе предварительных измерений.

Таким образом, если воспользоваться значением угла  из измерений показателя преломления n, а и принять за известные, то (9.20) можно использовать для расчета средней дисперсии, например, с помощью ЭВМ. В данной работе результаты таких расчетов представлены в виде таблиц, избавляя от необходимости рутинных вычислений.

Вследствие явления дисперсии в белом свете граница раздела будет окрашенной. Для устранения окрашенности (а также для определения средней дисперсии исследуемого вещества) служит компенсатор, состоящий из двух систем склеенных призм прямого зрения (призм Амичи).

Призма прямого зрения Амичи является комбинацией простых призм. Обычно используют призму, состоящую из набора 3-х призм из стекол с разными дисперсиями, подобранными так, чтобы луч средней части видимого спектра проходил через призму без изменения направления (рис.9.3).

Рис.9.3. Компенсатор из двух призм Амичи.

Призмы можно одновременно вращать вокруг оптической оси в противоположные стороны, меняя тем самым собственную дисперсию компенсатора и устраняя цветную кайму границы раздела, наблюдая картину через окуляр. С компенсатором связан маховик со шкалой, по которой определяют параметр дисперсии, позволяющий рассчитать среднюю дисперсию света.