阿貝折射儀測介質(zhì)折射率.doc

阿貝折射儀測介質(zhì)折射率折射率是透明材料的一個重要光學常數(shù)。測定透明材料折射率的方法很多，如全反射法和最小偏向角法，最小偏向角法具有測量精度高、被測折射率的大小不受限制、不需要已知折射率的標準試件而能直接測出被測材料的折射率等優(yōu)點。但是，被測材料要制成棱鏡，而且對棱鏡的技術(shù)條件要求高，不便快速測量。全反射法具有測量方便快捷，對環(huán)境要求不高，不需要單色光源等特點。然而，因全反射法屬于比較測量，故其測量準確度不高（大約n=3 10-4），被測材料的折射率的大小受到限制（約為1.31.7），且對固體材料還需制成試件。盡管如此，在一些精度要求不高的測量中，全反射法仍被廣泛使用。阿貝折射儀就是根據(jù)全反射原理制成的一種專門用于測量透明或半透明液體和固體折射率及色散率的儀器，它還可用來測量糖溶液的含糖濃度。它是石油化工、光學儀器、食品工業(yè)等有關(guān)工廠、科研機構(gòu)及學校的常用儀器?！緦嶒?zāi)康摹?. 加深對全反射原理的理解，掌握應(yīng)用方法。2. 了解阿貝折射儀的結(jié)構(gòu)和測量原理，熟悉其使用方法。3. 通過對糖溶液折射率的測定確定其錘度?！緦嶒瀮x器】WAY阿貝折射儀、待測液（蒸餾水，無水乙醇，糖溶液）、滴管 、脫脂棉【實驗原理】一、儀器描述 阿貝折射儀是測量物質(zhì)折射率的專用儀器，它能快速而準確地測出透明、半透明液體或固體材料的折射率（測量范圍一般為1.4-1.7)，它還可以與恒溫、測溫裝置連用，測定折射率與溫度的變化關(guān)系。 阿貝折射儀的光學系統(tǒng)由望遠系統(tǒng)和讀數(shù)系統(tǒng)組成，如圖1所示。望遠系統(tǒng)。光線進入進光棱鏡1與折射棱鏡2之間有一微小均勻的間隙，被測液體就放在此空隙內(nèi)。當光線（太陽光或日光燈）射入進光棱鏡1時便在磨砂面上產(chǎn)生漫反射，使被測液層內(nèi)有各種不同角度的入射光，經(jīng)折射棱鏡2產(chǎn)生一束折射角均大于出射角度i的光線。由擺動反射鏡3將此束光線射入消色散棱鏡組4，此消色散棱鏡組是由一對等色散阿米西棱鏡組成，其作用是可獲得一可變色散來抵消由于折射棱鏡對不同被測物體所產(chǎn)生的色散。再由望遠鏡5將此明暗分界線成像于分劃板 7上，分劃板上有十字分劃線，通過目鏡8能看到如圖2上部分所示的象。讀數(shù)系統(tǒng)。光線經(jīng)聚光鏡12照明刻度板11（刻度板與擺動反射鏡3連成一體同時繞刻度中心作回轉(zhuǎn)運動）。通過反射鏡10，讀數(shù)物鏡9，平行棱鏡6將刻度板上不同部位折射率示值成象于分劃板7上(見圖2)圖 1 望遠系統(tǒng)讀數(shù)系統(tǒng)光路圖1.進光棱鏡 2.折射棱鏡3.擺動反光鏡4.消色散棱鏡組5.望遠物鏡組6.平行棱鏡7.分劃板8.目鏡9.讀數(shù)物鏡10反光鏡11.刻度盤12.聚光鏡圖 2 讀數(shù)鏡視場中右邊為液體折射率刻度，左邊為蔗糖溶液質(zhì)量分數(shù)（錘度Brix）（0-95，刻度） 圖3儀器結(jié)構(gòu)圖1反射鏡2棱鏡座連接轉(zhuǎn)軸3遮光板5進光棱座6色散調(diào)節(jié)手輪7色散值刻度圈8目鏡9蓋板10鎖緊手輪11折射標棱鏡座12照明刻度聚光鏡13溫度計座14底座15折射率刻度手輪17殼體18恒溫器接頭二、實驗原理 阿貝折射儀是根據(jù)全反射原理設(shè)計的，有透射光(掠入射)與反射光(全反射)兩種使用方法。（一）測定液體的折射率若待測物為透明濃體，一般用透射光即掠入射方法來測量其折射率nx。阿貝折射儀中的阿貝棱鏡組由兩個直角角棱鏡(折射串率為n)組成，一個是進光棱鏡，它的弦面是磨砂的，其作用是形成均勻的擴展面光源。另一個是折射棱鏡。待測液體(nxn)夾在兩棱鏡的弦面之間，形成薄膜。如圖4所示， 圖 4光先射入進光棱鏡，由其磨砂弦面A，B，產(chǎn)生漫射光穿過液層進入折射棱鏡(圖中ABC)。因此到達液體和折射棱鏡的接觸面(AB面)上任意一點E的諸光線(如1，2，3等)具有各種不同的入射角，最大的入射角是90度。，這種方向的入射稱為掠入射。對不同方向入射光中的某條光線，設(shè)它以入射角i射向AB面，經(jīng)棱鏡兩次折射后，從AC面以角出射，若，則由折射定律得 1） 2）其中為AB面上的折射角，為AC面上的入射角。由圖4得棱鏡頂角A與角及角的關(guān)系為則 代入1）式得 3）由2）式得即則代入3）式得：從圖4可以看出，對于光線“1”，有i90，sini1，則上式變?yōu)?因此，若折射棱鏡的折射率n、折射頂角95已知，只要測出出射角即可求出待測液體的折射率。若,這時出射光線與頂角A在AC面法線的同側(cè)，上式變?yōu)榘⒇愓凵鋬x是如何測量與光線“1”相對應(yīng)的出射角呢?由圖4可知。除光線“1”外，其它光線“2”、“3”等在AB面上的入射角皆小于90度。因此當擴展光源的光線從各個方向射向AB面時，凡入射角小于90度的光線，經(jīng)棱鏡折射后的出射角必大于角而偏折于“1”的左側(cè)形成亮視場。而“1”的另一測因無光線而形成暗場。顯然，明暗視場的分界線就是掠入射光束“1”的出射方向(“1”)。 阿貝折射鏡標出了與角對應(yīng)的折射率值，測量時只要使明暗分界線與望遠鏡叉絲交點對準，就可從視場中折射率刻度讀出nx值。（二）、測定固體的折射率若待測固體有兩個互成90度角的拋光面，則可用透射光測定其折射率，如圖5所示，在待測固體和折射棱鏡AB面上滴一滴接觸液（其折射率為n2，要求n2nx），一般用折射率較高的溴代苯），擴展光源發(fā)出的光直接進入待測固體（不用進入光棱鏡），經(jīng)過接觸液進入折射棱鏡，其中一部分光線在通過待測固體時，傳播方向平行于固體與接觸液的交界面。當時，同理，由折射定律和幾何關(guān)系可得待測固體折射率為當出射光線與頂角A分居于AC面法線兩側(cè)時，公式取“”號，反之，若在同側(cè)時，公式取“”號。由于折射棱鏡的n和A均已知，只要測出光線掠入射經(jīng)過待測固體時，由棱鏡AC面上出射極限角，由上式即可算出待測固體的折射率。用阿貝折射儀測量時，只要明暗分界線與望遠鏡叉絲交點對準，就可直接讀出nx值。接觸液的存在并不影響nx的測量，但只要求折射率。接觸液的作用是使得待測樣品面和折射棱鏡面形成良好的光學接觸，沒有空隙且有粘附性。此外，用反射光測定折射率的原理如圖6所示，光由折射棱鏡的磨砂面BC進入，此時BC面就成為一個擴展面光源，到達AB面（與待測物質(zhì)的接觸面）上任意一點的諸光線具有不同的入射角，凡入射角大于臨界角者，皆全反射，再經(jīng)AC面射出，用望遠鏡對準角方向，同樣觀察到明暗視場，但明暗差別不如透射光，而且明暗相對透射法測量顛倒。用反射光測量固體的折射率時，只需一個拋光面 圖 5 圖 6 任何物質(zhì)的折射率都與測量時使用的光波的波長有關(guān)。阿貝折射儀因此有光補償裝置（阿米西棱鏡組），所以測量時可用白光光源，且測量結(jié)果相當于對鈉黃光（589.3nm）的折射率（即nD）。另外，液體的折射率還與溫度有關(guān)，因此若儀器接上恒溫器，則可測定溫度為0-50內(nèi)的折射率即nD。【實驗內(nèi)容與步驟】 測定液體的折射率1. 用脫脂棉沾酒精將進光棱鏡和折射棱鏡擦拭干凈，干燥后使用。避免因殘留有其他物質(zhì)，而影響測量結(jié)果。2. 用滴管將少許待測液滴在折射棱鏡的表面上，并將進光棱鏡蓋上，旋緊棱鏡鎖緊手輪10鎖緊，待測液在中間形成一層均勻無氣泡的液膜。3. 打開進光棱鏡上的遮光板，關(guān)閉折射棱鏡上遮光板用透射光測量，旋轉(zhuǎn)折射率刻度調(diào)節(jié)手輪15找到明暗分界線使之大致對準十字叉絲的交點。然后旋轉(zhuǎn)阿米西棱鏡手輪6，消除視場中出現(xiàn)的色彩，使視場中只有黑白分界線。4. 再次微調(diào)手輪15，使明暗分界線正對十字線中心。此時，目鏡視場中折射率刻度示值即為被測液體的折射率。讀取數(shù)據(jù)時首先沿正方向旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)動手輪（如向前），調(diào)節(jié)到位后，記錄一個數(shù)據(jù)。然后繼續(xù)沿正方向旋轉(zhuǎn)一小段后，再沿反方向（向后）旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)動手輪，調(diào)節(jié)到位后，又記錄一個數(shù)據(jù)。取兩個數(shù)據(jù)的平均值為一次測量值。5. 分別測定蒸餾水、無水乙醇和糖溶液的折射率各6次。關(guān)閉進光棱鏡遮光板，打開折射棱鏡遮光板用反射光法測量三種溶液折射率各6次。測量糖溶液時，還要同時測出其錘度。6. 對透射光法和反射光法測定兩組數(shù)據(jù)各求平均值和不確定度?！咀⒁馐马棥?. 使用儀器前應(yīng)先檢查進光棱鏡的磨砂面、折射棱鏡及標準玻璃塊的光學面是否干凈，如有污跡用酒精棉擦拭干凈。2. 用標準塊校準儀器讀數(shù)時，所用折射率液不宜太多，使折射率液均勻布滿接觸面即可。過多的折射率液易堆積于標準塊的棱尖處，既影響明暗分界線的清晰度，又容易造成標準塊從折射棱鏡上掉落而損壞。3. 在加入的折射率液或待測液中，應(yīng)防止留有氣泡，以免影響測量結(jié)果。4. 讀取數(shù)據(jù)時，首先沿正方向旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)動手輪（如向前），調(diào)節(jié)到位后，記錄一個數(shù)據(jù)。然后繼續(xù)沿正方向旋轉(zhuǎn)一小段后，再沿反方向（向后）旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)動手輪，調(diào)節(jié)到位后，又記錄一個數(shù)據(jù)。取兩個數(shù)據(jù)的平均值為一次測量值。5. 實驗過程中要注意愛護光學器件，不允許用手觸摸光學器件的光學面，避免劇烈振動和碰撞。6. 儀器使用完畢后，要將棱鏡表面及標準塊擦拭干凈，目鏡套上鏡頭保護紙，放入盒內(nèi)。 【數(shù)據(jù)記錄及處理】測定液體的折射率 環(huán)境溫度t= 表一透射光法 折射率次數(shù)蒸餾水無水乙醇糖溶液前后平均前后平均折射率錘度（）123456平均值 c 合成不確定度 測量結(jié)果 表二反射光法 折射率次數(shù)蒸餾水無水乙醇糖溶液前后平均前后平均折射率錘度（）123456平均值 c 合成不確定度 測量結(jié)果 【思考題】1 阿貝折射儀使用什么光源？所測得的折射率是對哪條譜線的折射率？2 進光棱鏡的工作面為什么要磨砂？3 溴代苯溶液起何作用？對其折射率有何要求？4 阿貝折射儀測定折射率的原理是什么？若待測物質(zhì)折射率大于折射棱鏡的折射率，能否測量？為什么？并寫出本實驗測定折射率的范圍。折射率和平均色散是表征物質(zhì)光學特性的兩 折射率和平均色散是表征物質(zhì)光學特性的兩個重要常數(shù)，借助它們可以了解物質(zhì)的光學 個重要常數(shù)，借助它們可以了解物質(zhì)的光學性能、純度、濃度及色散大小等。阿貝折射 性能、純度、濃度及色散大小等。阿貝折射儀是最常用的測量物質(zhì)折射率與平均色散的 儀是最常用的測量物質(zhì)折射率與平均色散的儀器，在科學研究與石油、油脂、制藥、制 儀器，在科學研究與石油、油脂、制藥、制漆、食品、制糖、日用化工等行業(yè)中有著極 漆、食品、制糖、日用化工等行業(yè)中有著極其廣泛的應(yīng)用。 其廣泛的應(yīng)用。 實驗?zāi)康?實驗?zāi)康?了解阿貝折射儀光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作 了解阿貝折射儀光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作 測定幾種常見液體的折射率。 測定幾種常見液體的折射率。 2WA 2WA-JJ 阿貝折射儀 阿貝折射儀 純凈水及酒精溶液 純凈水及酒精溶液 帶有滴管的試劑瓶兩個 帶有滴管的試劑瓶兩個 阿貝折射儀的結(jié)構(gòu) 阿貝折射儀的結(jié)構(gòu) 1 反射鏡；2 轉(zhuǎn)軸；3 遮光板；4 溫度計；5 進光棱鏡座；6色散調(diào)節(jié)手輪；7 色散值刻度圈；8目鏡；9 殼體；10 手輪；11 折射棱鏡；12聚光鏡；13 溫度計座；14 底座；15 為折射率刻度調(diào)節(jié)手輪；16 調(diào)節(jié)螺絲 目鏡 折射率刻度調(diào)節(jié)手輪 色散調(diào)節(jié)手輪 溫度計 進光棱鏡座 恒溫器接頭 鎖緊手輪 其中心部件是由兩塊直角棱鏡組成的棱鏡組，下面一塊是可以啟閉的輔助棱鏡，其斜面是磨砂的，液體試樣夾在輔助棱鏡與測量棱鏡之間，展開成一薄層。光由光源經(jīng)反射鏡反射至輔助棱鏡，磨砂的斜面發(fā)生漫射。 實驗原理 實驗原理 當光線從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，入射角會小 當光線從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，入射角會小于折射角。改變?nèi)肷浣强墒拐凵浣沁_到 于折射角。改變?nèi)肷浣强墒拐凵浣沁_到90 90，此 ，此時的入射角稱為臨界角。 時的入射角稱為臨界角。2WA 2WA-J J 阿貝折射儀測定 阿貝折射儀測定折射率的工作即利用了測定臨界角的原理如下 折射率的工作即利用了測定臨界角的原理如下圖示 圖示 N 1 N 1 則有 則有 由平面幾何學可知 由平面幾何學可知 1 2 2 sin90 sin sin sin n n n i （1）將已知的棱鏡折射角 及棱鏡材料折射率n 2 、測得的臨界角 i 的正弦值sini，即可算得待測液體的折射率n 1 。將此計算結(jié)果在分劃板上制成折射率標尺，在測量時即可直接 從分劃板上讀出測得的折射率值 當入射光自待測液體中以90入射時，在折射棱鏡中的折射角就是臨界角 c 。該光線再經(jīng)一次折射后，進入望遠系統(tǒng)的出射角記為i。當入射光以小于90的不同角度入射時，所有的出射角都將大于i。于是望遠鏡中的視場被分為明暗兩個部分，二者之間的分界線即為臨界角所對應(yīng)的位置。記待測液體的折射率為n 1 , 折射棱鏡ABCD的折射率為n 2 ，且有n 1 n 2 。 依折射定律有 從液體試樣層進入測量棱鏡的光線各個方向都有，從測量棱鏡的直角邊上方可觀察到臨界折射現(xiàn)象。轉(zhuǎn)動棱鏡組轉(zhuǎn)軸的手柄，調(diào)節(jié)棱鏡組的角度，使臨界線正好落在測量望遠鏡視野的X型準絲交點上。由于刻度盤與棱鏡組的轉(zhuǎn)軸是同軸的，因此與試樣折光率相對應(yīng)的臨界角位置能通過刻度盤反映出來?？潭缺P上的示值有兩行，一行是在以日光為光源的條件下將Z i 值和KIO 3 值直接換算成相當于鈉光D線的折光率HCl（從1.3000至 1.7000）；另一行為095%，它是工業(yè)上用折光儀測量固體物質(zhì)在水中濃度的標準。通常用于測量蔗糖的濃度。 為使用方便，阿貝折光儀光源采用日光而不用單色光。日光通過棱鏡時由于其不同波長的光的折射率不同，因而產(chǎn)生色散，使臨界線模糊。為 此在測量望遠鏡的鏡筒下面設(shè)計了一套消色散棱鏡（Amici棱鏡），旋轉(zhuǎn)消色散手柄，就可以使色散現(xiàn)象消除。 阿貝折射儀的使用 阿貝折射儀的使用 松開鎖鈕，開啟輔助棱鏡，使其磨砂的斜面處于水平位置，用滴定管加小量丙酮清洗鏡面，促使難揮發(fā)的玷污物逸走，用滴定管時注意勿使管尖碰撞鏡面。將被測液 將被測液體用干凈滴管加在折射棱鏡 體用干凈滴管加在折射棱鏡表面； 表面； 61 將進光棱鏡蓋上，用 手輪鎖緊，要求液層均勻，充滿視場，無氣泡。 1.加樣 打開遮光板，合 打開遮光板，合上反射鏡，調(diào)節(jié) 上反射鏡，調(diào)節(jié)目鏡視度，使十 目鏡視度，使十字線成象清晰， 字線成象清晰， 2. 3. 粗調(diào) 轉(zhuǎn)動手柄，使刻度盤標尺上的示值逐漸增大，直至觀察到視場中出現(xiàn)彩色光帶或黑白臨界線為止。 4. 消色散 轉(zhuǎn)動消色散手柄，使視場內(nèi)呈現(xiàn)一個清晰的明暗臨界線。 5. 精調(diào) 轉(zhuǎn)動手柄，使臨界線正好處在X形準絲交點上，若此時又呈微色散，必須重調(diào)消色散手柄，使臨界線明暗清晰。（調(diào)節(jié)過程在右邊目鏡看到的圖像顏色變化如下圖） 此時旋轉(zhuǎn)色散調(diào)節(jié)手輪 此時旋轉(zhuǎn)色散調(diào)節(jié)手輪使分界線不帶任何彩色， 使分界線不帶任何彩色，再微調(diào)刻度手輪，使分 再微調(diào)刻度手輪，使分界線位于十字線的中心。 界線位于十字線的中心。此時視場下方顯示值的 此時視場下方顯示值的下排讀數(shù)即為被測液體 下排讀數(shù)即為被測液體的折射率。 的折射率。 注意： 注意： 在正式測定前可 在正式測定前可用純水調(diào)校儀器。 用純水調(diào)校儀器。當分界線位于十 當分界線位于十字線的中心時， 字線的中心時，下方顯示值應(yīng)為 下方顯示值應(yīng)為 上排讀數(shù) 上排讀數(shù)00（百分 （百分比濃度）、下排 比濃度）、下排 1.333 1.333（折射率）。 （折射率）。 如刻度值不正確， 如刻度值不正確，可用螺絲刀旋轉(zhuǎn) 可用螺絲刀旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺絲校正。 調(diào)節(jié)螺絲校正。 6161 打開小反光鏡，調(diào)節(jié)反射鏡，使兩個望遠鏡視場明亮 打開小反光鏡，調(diào)節(jié)反射鏡，使兩個望遠鏡視場明亮 ，調(diào)節(jié)望遠鏡系統(tǒng)中的目鏡，看清分劃板上的刻度線（ 調(diào)節(jié)望遠鏡系統(tǒng)中的目鏡，看清分劃板上的刻度線（XX型型準線），調(diào)節(jié)讀數(shù)望遠鏡中的目鏡，并轉(zhuǎn)動棱鏡手輪，看 準線），調(diào)節(jié)讀數(shù)望遠鏡中的目鏡，并轉(zhuǎn)動棱鏡手輪，看清刻度值。 清刻度值。 6161 把棱鏡組打開，用酒精將棱鏡表面擦洗干凈，將被測液體 把棱鏡組打開，用酒精將棱鏡表面擦洗干凈，將被測液體用干凈滴管加在折射棱鏡表面上，并將進光棱鏡蓋上，用 用干凈滴管加在折射棱鏡表面上，并將進光棱鏡蓋上，用手輪鎖緊。要求液層均勻充滿視場而無氣泡。打開遮光板， 手輪鎖緊。要求液層均勻充滿視場而無氣泡。打開遮光板，合上反射鏡，調(diào)節(jié)目鏡使十字線成像清晰。 合上反射鏡，調(diào)節(jié)目鏡使十字線成像清晰。 6161 旋轉(zhuǎn)手輪在目鏡視場中找到明暗分界線的位置后旋轉(zhuǎn)手