4. Приборы рефрактометрического анализа.

Рефрактометры типа Аббе: важнейшая особенность состоит в использовании «белого» света, дневного или электрического, причем отсчет по прибору дает показатель преломления, равный показателю n_D, измеренному дли монохроматического света желтой линии D в спектре натрия. На приборах типа Аббе можно изменять показатель преломления в интервале 1,2 -2,0.

Действие рефрактометра основано на явлении полного внутреннего отражения, состоящем в том, что, если луч света идет из среды 1 в среду 2, то при некотором значении утла падения =₀ угол преломления х примет максимальное значение х₀ = 90. При этом луч, дойдя до поверхности раздела, далее пойдет вдоль этой поверхности и, следовательно, в этом положении

sino/sin 90= n₂/n₁ или n₂/n₁ = sin₀ (1)

Если направить луч в среде 1 под углом >₀, то он вообще не попадает в среду 2, отразившись от поверхности раздела. Угол ₀ называется предельным углом (рис.1 ). Среда 1

Рис. 1. Преломление света и полное внутреннее отражение

Главной частью прибора являются две прямоугольные призмы, сложенные диагональными плоскостями, между которыми помещается небольшое кол-во жидкости (1-2 капли). Плоскости призм прижимаются друг к другу, и жидкость растекается между ними тонким слоем (0,1-0,2 мм). Грань одной из призм освещается рассеянным светом, отражен­ным от зеркала. Лучи света проходят через призму, слой жидкости, вторую призму, выходя из нее, попадают в окуляр зрительной трубы. Поворачивая призмы относительно источника света, можно добитьсятакого их положения, что часть лучей, вошедших в первую (освети­тельную) призму, испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела призма - слой жидкости и благодаря этому не попадает ни во вторую призму, ни в окуляр. Другая часть лучей, попадающих на границу раздела призма-слой жидкости под углами, меньшими предельного, попадает в окуляр, благодаря чему одна часть поля зрения окажется неосвещенной, вторая - освещенной.

Призмы поворачивают до тех пор, пока граница раздела света и тени не совпадет с находящимся в поле окуляра крестом нитей. В этом положении отсчитывают значение показателя преломления по местонахождению указателя на шкале рефрактометра. Если показатель преломления призмы равен n_, то показатель пре­ломления исследуемого вещества n_x будет равен

n_x = n_ sin ₀ (2)

зеркало

Рис. 2 Схема прохождении света в рефрактометре Аббе

Очевидно, что n_x, должно быть меньше показателя преломления изме­рительной призмы. Устройство прибора позволяет прочесть значение n_x, непосредственно но шкале рефрактометра (рис. 2).

Применение приведенного выше уравнения допустимо только при преломлении монохроматического света. При использовании «белого» света для измерении показателя преломления резкой границы света и тени в поле зрения не будет, т.к. вследствие дисперсии (зависимости преломления от длины волны) появится ряд границ различных цветов (спектр). Устранение этого явления - ахроматизация - производится с помощью специального компенсатора, расположенного в нижней части зрительной трубы.

Компенсатор состоит из двух призм Амичи, которые могут вращаться вокруг общей оси в противоположных направлениях. Призма Амичи склеена из трех частей, подобранных так, что проходя через призму, желтые лучи не меняют направления. При положении призм, показанном на рис. 3а, белый свет, пройдя через компенсатор, раз­ложится в спектр, т.к. суммарная угловая дисперсия максимальна, а при положении призм, показанном на рис. 3б, белый свет остается пе­реложенным (суммарная дисперсия равна 0).

Рис .3. Положение призм компенсатора

Когда на компенсатор попадает свет, разложенный на состав­ные части на измерительной призме, поворачивая компенсатор можно подобрать такое относительное положение его призм, при котором их суммарная дисперсия равна по величине и противоположна по знаку дисперсии светового пучка, прошедшего через призменный блок рефрактометра, и суммарная дисперсия будет равна нулю. Благодаря этому разложенный ранее пучок вновь соберется в белый луч, направление которого совпадает с неизменным направлением желтого луча. В поле зрения (окуляре) появится резкая граница, положение которой соответствует лучу определенной длины волны-желтой D-линии натрия, несмотря на то, что поле зрения освещено белым светом.

Рефрактометр типа Пульфриха: отличительной особенностью этих приборов является использование источников света с линейчатым спектром (натриевые, водородные, гелиевые лампы) и измерительных призм с преломляющим углом 90°. Шкала в этих приборах градуирована в угловых единицах и нужно проводить пересчет на показатель преломления с помощью специальных таблиц. Однако с помощью рефрактометров Пульфриха можно определять показатель преломления для разных длин волн и измерять дисперсию с точностью до 10^-5.

Главной частью этих приборов является прямоугольная призма, одна из граней которой расположена горизонтально, а вторая – вертикально. К горизонтальной грани приклеен цилиндрический сосуд, заполняемый испытуемой жидкостью (рис.1).

Рис 1. Схема прохождения cвета в рефрактометре Пульфриха

Свет от монохроматического источника падает на сосуд с жид­костью через собирающую (конденсорную) линзу (источник моно­хроматического света расположен в фокусе линзы) и направлен па­раллельно горизонтальной поверхности раздела жидкость - стекло. Пройдя через жидкость и призму, луч, направленный таким образом, выходит, образуя со своим первоначальным направлением угол i. В призме угол между перпендикуляром поверхности раздела и направ­лением этого луча является предельным, т.к. его направление было бы таким же, если бы луч а^/ со стороны вертикальной грани входил в призму, попадая последовательно в жидкость и воздух. Величины n_x и i связаны формулой

n_x =n_B²-sin²i (1)

где n_x - показатель преломления жидкости;

n_B - показатель преломлении призмы (указывается в паспорте прибора);

i - наблюдаемый угол на выходе из рефрактометра.

Для опеделения угла i перекрестие нити окуляра зрительной тру­бы наводят на верхнюю границу спектральной полосы и производят отсчет по шкале (градусы) и нониусу (минуты). Для проведения точных измерений необходимо термостатирование с точностью ± 0,2 °С.

Рефрактометр Пульфриха выпускается под маркой ИРФ-23. В этом приборе для расширения диапазона измеряемых показателей преломления имеется несколько сменных призм. Недостатком прибо­ра является необходимость использования монохроматического света и значительных количеств (3-5 мл) исследуемого вещества, а также необходимость проведения пересчета снимаемых показаний в угловых единицах в значения показателя преломления и использования для этого специальных таблиц.

Рефрактометр автоматический непрерывный: для автоматического непрерывного контроля некоторых производствах (сахарного, нефтехимического, коксобензолъного) часто используют рефрактометры РАН. Принципиальная схема рефрактометра РАН на рис 1. Луч света от осветителя 1 проходит через линзу 2 и попадает на призму, состоящую из двух половинок - постоянной 3 и проточной 3^/ . Через проточную призму 3 протекает анализируемая жидкость. Далее луч света проходит через неподвижную преломляющую призму 4 и подвижную поворотную призму 5, которая может поварачиваться вокруг своей оси при

Рис.1. Схема рефрактометра РАН

помощи мотора 6. После этого луч света попа­дает на двойной фотоэлемент 7. Фототоки от этих фотоэлементов по­падают в командный аппарат 8. Если показатель преломления проте­кающей жидкости не изменяется, фототоки на фотоэлементах ском­пенсированы. Если показатель преломления протекающей жидкости изменяется, это приводит к нарушению равенства освещенности фо­тоэлементов, т.e. фототоки двух фотоэлементов 7 оказываются не скомпенсированными. В этом случае командное устройство включает двигатель 6, который начинает вращать призму 5 до установления равновесия. Угол поворота призмы 5 будет пропорционален текущему значению показателя преломления протекающей жидкости.