Описание прибора и методика измерения

Для измерения показателя преломления жидкостей обычно применяют рефрактометр, принцип действия которого основан на явлении полного внутреннего отражения. Главной частью рефрактометра являются две призмы 1 и 2 (рис. 2.3), закрепленные в соответствующей оправе. Призма 1 закреплена на оси, проходящей через точку С так, что ее можно поднять повернув относительно оси на некоторый угол, поместить между гранями призм АС и А₁С₁ несколько капель исследуемой жидкости и вновь ее опустить. Между гранями призм в пространстве АСС₁А₁, оказывается тонкий слой жидкости. Узкий пучок лучей через грань АВ попадает перпендикулярно грани АВ призмы 1 и проходит без преломления до грани АС, которая имеет шероховатую поверхность и рассеивает свет. Рассеянные лучи проходят из точки О₁, в жидкость под различными углами, среди которых будет луч, падающий на грань А₁С₁, в точке О₂ второй призмы под углом β, близким к 90°. Этот луч преломляется во второй призме, образуя угол преломления φ, падает на грань В₁С₁ под углом γ и выходит из призмы 2, образуя угол преломления i. Обозначим показатель преломления вещества призмы n, искомый показатель преломления жидкости n_х и показатель преломления окружающего призму воздуха n₁=1. Рассмотрим переход выбранного луча через поверхности раздела, при этом выясним принцип действия прибора и метода измерения. Запишем закон преломления при переходе луча через поверхность раздела А₁С₁ в точке О₂:

Рис. 2.3

(7)

и через поверхность раздела С₁В₁ в точке О₃;

(8)

из (8) находим: sin i = n·sin γ (9)

Угол γ можно выразить через преломляющий угол θ призмы 2. Как видно из рис. 3 θ=γ+φ, отсюда γ=θ-φ. После подстановки в (9) получим:

(10)

Из (7) находим sin φ, через него выразим соs φ и подставим в первое слагаемое (10). Входящий sin φ во втором члене подставим из (7), выразив его через показатели преломления sin φ. В результате этих преобразований (10) примет вид:

(11)

Если рассматриваемый луч скользит по поверхности А₁C₁ призмы 2, что наблюдается при полном внутреннем отражении, то β =90⁰. Тогда sin β=1, φ=γ - угол полного внутреннего отражения, то i₀=i. Минимальный угол i₀ выхода луча из призмы 2 определяется через sin i из (11).

(12)

Как видно из (12) при заданных значениях n и θ, которые являются параметрами прибора, угол i₀ зависит только от неизвестного показателя преломления n_х исследуемой жидкости. Следовательно, выражение (12) является расчетной формулой для его определения по измеренному значению i₀.

Наименьший угол выхода i₀ луча из призмы 2 определяется обычной оптической трубой. Если ее настроить на бесконечность и ориентировать так, чтобы оптическая ось совпадала с выходящим лучом, то нижняя половина поля зрения трубы будет темная, а верхняя — освещена лучами, выходящими под углами i₀<i. По положению границы темной и светлой половины поля зрения определяется наименьший угол i₀ выхода луча из призмы. Искомый показатель преломления n_х вычисляется по уравнению (12).

В нашей лаборатории применяется рефрактометр УРЛ, схема передней части которого показана на рис. 4. Призмы I и II закреплены в оправе 3, сквозь которую проникает луч через окошко 4 от специального осветителя 5. Выходящие из призмы II лучи проходят через специальную оптику, предназначенную для компенсации хроматической аберрации, что достигается путем поворота рычага 6 около среднего положения.

Рисунок 4

Вся указанная оптика вместе с прямоугольной призмой, поворачивающей луч на 90° и направляющей в окуляр 7, скрепляется с рычагом 8. Внутри прибора имеются специальный указатель в виде пунктирной линии и шкала с нанесенными на ней делениями, дающая возможность отсчитать показатель преломления с точностью до 0,001 доли. После настройки прибора в окуляр 7 будут видны пунктирный указатель, шкала и граница раздела темной и светлой половины поля зрения. Поворотом рычага 8 вращается вся оптика относительно призм, указатель совмещается с границей раздела и против него на шкале отсчитывается искомый показатель преломления n_х.

В данном приборе имеется две шкалы, видимые в поле зрения окуляра. Левая шкала дает значения n_х — показателя преломления исследуемой среды, а правая — концентрацию сахара в растворе.