試驗阿貝折射儀測介質折射率綜述

1、實驗阿貝折射儀測介質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An=3X 10-4）,被測材料的折射率的大小受至ij限制（約為1.3 1.7）,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

2、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)等有關工廠、科研機構及學校的常用儀器?！緦嶒災康摹考由顚θ瓷湓淼睦斫猓莆諔梅椒?。了解阿貝折射儀的結構和測量原理，熟悉其使用方法。通過對葡萄糖溶液折射率的測定確定其濃度。【實驗儀器】WAY阿貝折射儀、標準玻璃塊一塊，折射率液（澳代蔡）一瓶，待測液（自來水， 酒精，糖溶液）、滴管、脫脂棉及擦鏡紙【實驗原理】一、儀器描述阿貝折射儀是測量物質折射率的專用儀器，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

3、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。當光線（自然光或白熾燈）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

4、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連感二體 同時繞刻度中心作回轉運動）。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.聚光鏡讀數(shù)短視場望遠箱視場圖2讀數(shù)鏡視場中右邊為液體折射率刻度，左邊為蔗糖溶液質量分數(shù)（錘度Brix ）（0-95%,刻度）圖3儀器結構圖1反射鏡2棱鏡座連接轉軸3遮光板5進光座6色散調節(jié)手輪7

5、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nxo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，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

6、）。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，設它以入射角i射向AB面，經(jīng)棱鏡兩次折射后，從AC面以平角出射，若nx n ,則由折射定律得 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document nx sin i = nsin a1) HYPERLINK l bookmark4 o Current Document nsin : = sin :2)其中a為AB面上的折射角，3為AC面上的入射角。由圖

7、4得棱鏡頂角A與a角 及3角的關系為A=a+P則a=AP代入1)式得 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document nx sini = nsin( AP) = n(sin AcosP-cosAsin P)3)由 2)式得 n2sin2 : = sin2 即 n2(1 -cos2 : =sin2 )n2 -n2 cos2 : =sin2 一貝U cos- = (n2 -sin2 )/n2代入 3)式得： nxsini = sin A , n2-sin2 : -cosAsin :從圖4可以看出，對于光線“ 1”，有i-90： sini- 1, sin叱一 sin

8、中，則上式變?yōu)閚x = sin A, n2 -sin2 -cosAsin :因此，若折射棱鏡的折射率n、折射頂角95已知，只要測出出射角中即可求出待測液體的折射率nx。若A=&邛，這時出射光線與頂角 A在AC面法線的同側，上式變?yōu)閚x = sin A n2 -sin2 : cosAsin :阿貝折射儀是如何測量與光線“1”相對應的出射角 邛呢？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”的左側形成亮視場。而“ 1”的另一測因無光線而形

9、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中角對應的折射率值，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（其折射率為血，要求n2）nx, 一般用折射率較高的澳代苯），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 nxn2、nx30時a值取負彳to當Z30時a取正值，

10、按照所求出的 A B a值代入 色散值公式nf -nc = A + Bot就可求出平均色散值（6）若需測量在不同溫度時的折射率，將數(shù)顯溫度計旋入溫度計座13中，接上恒溫器的通水管，把恒溫器的溫度調節(jié)到所需測量溫度，接通循環(huán)水，待溫度穩(wěn) 定十分鐘后，即可測量。實驗內容1.測定液體的折射率1 ）用脫脂棉沾酒精或乙醛將進光棱鏡和折射棱鏡擦試干凈，干燥后使用。避免因殘留有其他物質，而影響測量結果。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）旋折射率刻度調節(jié)手輪15,在望遠鏡視場中觀察明暗分界線的移動，使之大致對準十

11、字叉絲的交點。然后旋轉阿米西棱鏡手輪6,消除視場中出現(xiàn)的色彩，使視場中只有黑、白兩色。4）再次微調手輪 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。5）分別測定自來水、酒精和糖溶液的折射率各5次。6）求出自來水、酒精、糖溶液的折射率的最佳值和不確定度，寫出結果表達式。2測糖溶液的含糖濃度按照2中的1）、2）、3）、4）步驟完成后，讀數(shù)鏡視場中讀數(shù)刻線所對準的左 邊的刻度值，即為所測糖溶液的百分比含糖濃度。【注意事項】1,使用儀器前應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，如有污跡用酒精或乙醛棉擦拭干凈。2,用標準塊校準儀器讀數(shù)時

12、，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，應防止留有氣泡，以免影響測量結果。.讀取數(shù)據(jù)時，首先沿正方向旋轉棱鏡轉動手輪（如向前），調節(jié)到位后，記錄一個數(shù)據(jù)。然后繼續(xù)沿正方向旋轉一小段后，再沿反方向（向后）旋轉棱鏡轉動手輪，調節(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。.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。.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。儀器

13、維護與保養(yǎng).儀器應放置與干燥、空氣流通的室內，以免光學零件受潮后生霉.當測試腐蝕性液體時及時做好清洗工作（包括光學零件、金屬件以及油漆表 面），放置侵蝕損壞。儀器使用完畢后必須做好清潔工作。.被測試樣品中不應有硬性雜質，當測試固體試樣時，應防止被折射棱鏡表面拉毛或產(chǎn)生壓痕。.經(jīng)常保持儀器清潔，嚴禁油手或汗?jié)n觸及光學零件，若光學零件表面有灰塵可用長纖維的脫脂棉輕擦后用吹風機吹干。如光學零件表面沾上油垢后應及時用酒精一米混合液擦干凈。.儀器應避免強烈振動或撞擊，以防止光學零件損傷及影響精度?！緮?shù)據(jù)記錄及處理、測定某液體的折射率內容次數(shù)自來水折射率酒精折射率糖水折射率12345、測定糖溶液折射率及錘

14、度Brix 。作n-Brix曲線。測量樣品折射率n錘度Brix12345【思考題】.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？.進光棱鏡的工作面為什么要磨砂？.澳代苯溶液起何作用？對其折射率有何要求？.阿貝折射儀測定折射率的原理是什么？若待測物質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?！靖戒汭】常見故障及處理方法故障現(xiàn)象原因分析排除方法臨界分界線不清 楚.目鏡、有美光學零件有灰、油 漬.樣品/、充湖梭銳表向.上下棱鏡之間間隙太大.消色棱鏡之間間隙太大.折射棱鏡表面毛或腐蝕嚴重.擦清.再加一些樣品.調節(jié)圖3右圖進光棱鏡5上 四只螺釘和轉軸2

15、的偏心.重新旋轉圖3中色散調節(jié)手輪6.送專業(yè)修理人貝或生產(chǎn)1豕 調換棱鏡讀數(shù)刻線看不清1.目鏡，有美光學零件有灰、油 漬.擦清分界線與十字交 叉線有視差1.圖1中望遠鏡位置走動重新矯正讀數(shù)刻線與十字 交叉線有視差1.圖四中讀數(shù)物鏡位置走動重新校正讀數(shù)視場中1.720讀數(shù)轉動不到1.圖3中調節(jié)手輪15位置走動移去調節(jié)手輪蓋板旋松四只固 定螺釘調整手輪位置目鏡框松1.緊定螺釘松支緊目鏡側面二只螺旬附錄n.阿米西棱鏡的消色散作用 阿米西棱鏡（又稱阿米西補償器），由兩組完全相同的棱鏡組成。每組由三塊分光 棱鏡合成。這二個復合棱鏡組可以用一個旋鈕調節(jié)，使之繞測量望遠鏡光軸各自沿 相反的方向同時轉動；在平

16、行于阿貝棱鏡主截面的平面內，產(chǎn)生或正或負，或大或 小的色散，以此可以抵消阿貝棱鏡及樣品所產(chǎn)生的色散。從補償器的旋鈕刻度中，參照儀器附表，還可以推知待測樣品的平均色散率（nF-nC）的值?！靖戒洺觥?各種物質的折射率（對 九d =589.3nm）a.一些氣體的折射率物質名稱折射率空氣1.0002926氫氣1.000132氮氣1.000296氧氣1.000271水蒸氣1.000254二氧化碳1.000488甲烷1.000444b.一些液體的折射率物質名稱溫度C折射率水201.3330乙醇201.3614甲醇201.3288苯201.5011乙醛221.3510內酮201.3591二氧化碳181.6

17、255三氯甲烷201.446甘油201.474加拿大樹膠201.530c. 一些晶體及光學玻璃折射率物質名稱折射率物質名稱折射率熔凝石英1.45843重冕牌玻璃ZK61.61260氯化鈉（NaCl）1.54427重冕牌玻璃ZK81.61400氯化鉀（KCl）1.49004領冕牌玻璃BaK21.53900螢石（CaF21.43381火石玻璃F81.60551冕牌玻璃K61.51110重火石玻璃ZF11.64750冕牌玻璃K81.51590重火石玻璃ZF61.75500冕牌玻璃K91.51630根火石玻璃BaF81.62590蒸儲水的折射率溫度（C）折射率（nD）溫度（C）折射率（nD）溫度（C）

18、折射率5d）101.33369171.33324241.33261111.33364181.33316251.33250121.33358191.33307261.33240131.33352201.33299271.33229141.33346211.33290281.33217151.33339221.33280291.33206161.33331231.33271301.33194【附錄IV】阿貝折射儀色散表計算公式；np- nc= A + Ba所有刻度圈上的讀數(shù)Z小于30時在表上數(shù)值(a)前取(+ )號，大于30時取(-)號nDA當 &i = O.。 。1時A之差 敷 源1 丁, )當

19、 =。1時B之蓋敷 x (IO-* )Za當NH。.。01時值之差 Urxfio *)Z1.3000.00494-6O.03S4O-1301.00011.3100,02488-50,03327- 1610.9TO41.3200.Q2483-50.03311-1620.99571.3300.02478-50.03295-1930.988101.3400,02473-40.03276-2040.97812).3500.02喻 T0,032562150.966151.3600,02464-40.QJ235-2360.951J71,3700.0246040.03212-257。.儂201.3800.0

20、2456-40X8187-2680.914231.390G.Q245240.Q3J61-2090.891251.4000.02448-30.03133-2910 10.866271.4100,03445-40.03104-31110.839301.42D0.0441-30.05073-33120.研321.4300,0243-30.03040-34130.777341川0,02435-30.03006-36140.74356L45O0.02432- 30.02970-38150.7OT弼1.4600.02429 20 02932-40160.669401.4700.02427-20,02892-41170.62941L癡0,02425-20.02851-43180.5SS431.4900.02423*20.02808-46190.545451.5000.02421-10.02762-47200.50046L5100.02420-10.02715-50210.454471.5200.0241910.02665-5122I 0.407491.5300.024180.02614-54230.35S49L54O0.G24180,02560-56240,30950J.5500,024180.0250459250.259511,5600.024180.0244