Главная | Обратная связь

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

 

Рис. 4.2.

 

Рефрактометр ИРФ-454 служит для быстрого определения показателей преломления жидких и твердых тел. Оптическая схема рефрактометра представлена на рис. 4.2.

Основной его частью являются две стеклянные прямоугольные призмы Р₁ и Р₂, изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

Окрашенность границы света-тени устраняется вращением призм Амичи П₁ и П₂. Наблюдение производят через окуляр Л₂. Перекрестие с призмой Р₁ служит для совмещения границы раздела света и тени.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 4.3.

Рис. 4.3.

 

Свет проникает через призму Р₂ и через матовую грань ed попадает в жидкость. Рассеянный матовой поверхностью свет проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0º ≤ i ≤ 90º) падает на сторону ас призмы Р₁. Обозначим угол падения на границе раздела стекло–жидкость через r, а угол преломления через i (рис. 4.3). Так как луч падает из более плотной среды в менее плотную, то угол преломления
i > r. При увеличении угла r будет возрастать и угол преломления i и, наконец, при некотором строго определенном для данных сред угле падения r=r_пр, угол преломления станет равным i=90⁰. Наступит полное внутреннее отражение. Все лучи, падающие под углами r < r_пр, пройдут через слой жидкости, призму P₁ и дадут освещенную часть поля зрения. При падении лучей под углом r > r_пр свет отразится в первую среду и не попадет в призму P₁. Эта часть поля зрения будет затемнена. Применим для этого случая закон преломления света

, (4.4)

где n_c – показатель преломления стекла; n_ж – показатель преломления жидкости; r_пр – предельный угол полного внутреннего отражения.

Отсюда находим показатель преломления жидкости. Так как
sin 90º =1, то

n_ж = n_c sin r_пр (4.5)

Показатель преломления стекла n_c – величина постоянная. Поэтому для разных жидкостей будет разный предельный угол полного внутреннего отражения. Граница раздела света и тени соответствует этому случаю. И если мы совмещаем границу раздела света-тени с перекрестием рефрактометра, то мы автоматически выполняем условие (4.5). На этом принципе и основано определение показателей преломления жидкостей.

Рефрактометр ИРФ-454 можно использовать и для определения показателей преломления твердых тел. Используемый образец должен иметь плоскую полированную поверхность. Этой поверхностью он прижимается к гипотенузе de призмы Р₂ (призма Р₁ при этом случае отклоняется в сторону). Для обеспечения оптического контакта в зазор между соприкасающимися поверхностями вводится тонкий слой иммерсионной жидкости, показатель преломления которой удовлетворяет условию: n₁ ≤ n ≤ n₂. При выполнении этого условия наличие слоя жидкости не искажает результатов измерений.

Изложенная теория рефрактометра, строго говоря, справедлива лишь в том случае, когда свет является монохроматическим. Дисперсия исследуемого вещества и стекла призмы приводит к тому, что величина предельных углов r’ и i’₂ зависит от длины волны λ.При работе с белым светом наблюдаемая в поле зрения граница света и тени часто оказывается размытой и окрашенной. Для того, чтобы получить резкое изображение, перед объективом трубы помещают компенсатор с переменной дисперсией. Компенсатор содержит две одинаковые дисперсионные призмы Амичи (призмы П₁ и П₂ на рис. 4.3), каждая из которых состоит из трех склеенных призм, обладающих различными показателями преломления и различной дисперсией. Призмы рассчитываются так, чтобы монохроматический луч с длиной волны λ=5893Å (среднее значение длины волны желтого дублета натрия) не испытывал отклонений. Лучи с другими длинами волн отклоняются призмой в ту или иную сторону. В зависимости от взаимной ориентации призмы дисперсия компенсатора изменяется в пределах от 0 до удвоенного значения дисперсии одной призмы.

Мерой дисперсии помещенного на призму образца служит поворот одной призмы компенсатора относительно другой до полного устранения окрашенности границы светотени. Снимая отсчет целых градусов по барабану маховичка и десятых долей градуса по нониусу, определяют Z.

Используя таблицу 1 и таблицу поправок 2, для данного показателя преломления образца находят коэффициенты А и В. Для измеренного Z по таблице 3 и таблице поправок находят s. По найденным величинам А, В и s вычисляют разность показателей преломления Δn.

Δn = n_F – n_c =A+ s B (4.6)

Среднее значение дисперсии образца определяют по формуле:

, (4.7)

где λ_F =486,1·10^–9 м; λ_С =656,3·10^–9 м.

Следует учесть, что для значения Z больше 30 величина σ принимает отрицательное значение.

 

ПРИМЕР: Для воды при 20ºС n_D = 1,3330

Отсчёты Z по шкале компенсатора

 

С одной стороны	С другой стороны
36,4 36,4 36,4 36,5 36,3	36,4 36,3 36,3 36,5 36,5
Среднее 36,4	36,4

 

Общее среднее Z =36,4

Из таблицы 1:

для n_D=1,330 А= 0,2373 В = 0,5393

для n_D= 1,340 A= 0,02368 B = 0,05359

А= -5 B= -34

По таблице пропорциональных частей в столбце, соответствующем табличной разнице 5 для А и табличной разнице 34 для В, находим приращение для 3-го и 4-го десятичного знаков, то есть для n_D = 1,333

A = 0,02373, В =0,05393.

Результаты округляем до 5-го знака.

Найдем s для Z = 36,4 пользуясь таблицами 4 и 5.

для Z=36 s = -0,309

для Z=37 s = -0,358

Δs = -0,049, которому в таблице 4 соответствует значение 49.

По таблице 3 для 49 имеем:

для Z=36 s = -0,309

0,4 Δs = -0.0196

По таблице 4 для 49 находим поправку

для Z=З6,4 s = -0,3286

По найденным значениям A, В и s определяем:

n_F – n_C =А+s В = 0,02372 – (0,05383·0,3286) = 0,00603

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Рис. 4.4.

Рефрактометр ИРФ-454 (рис. 4.4) состоит из корпуса 1, осветительной призмы 2, измерительной призмы 3, окуляра 4, компенсатора, вращающегося с помощью маховичка 5.

Подсветка призм осуществляется зеркалами 6 и 7. Нахождение границы раздела света-тени и совмещение ее с перекрестием сетки осуществляется разворотом зеркала и шкалы вращением маховичка 8, Подсвет лампы производят зеркалом 10.

Компенсатор состоит из двух призм прямого зрения (призм Амичи). Маховичком 5 призмы Амичи поворачиваются одновременно в разные стороны.

При этом изменяется угловая дисперсия компенсатора и устраняется окрашенностъ границы раздела света и тени. Вместе с маховичком 5 вращается и шкала 11, с которой снимается отсчет для определения дисперсии призмы. Поворот маховичка на одно деление шкалы определяют по нониусу. Одно деление нониуса соответствует повороту призм Амичи на 0,3º.

Среднюю дисперсию вещества определяют по формуле (4.7) пересчетом показаний шкалы и нониуса по специальным таблицам, приведенным в работе, с использованием значения измеренного показателя преломления вещества.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

УПРАЖНЕНИЕ I