Краткая теория. Устройство рефрактометра Аббе основано на использовании явления полного внутреннего отражения

Устройство рефрактометра Аббе основано на использовании явления полного внутреннего отражения.

Пусть луч света падает на границу раздела двух средсо стороны оптически более плотной среды n₂ (рис. 1.4). Для углов падения r, меньших некоторого r' (луч 1), часть светового потока, преломляясь, проникает в менее плотную среду n₁ (луч 1''), а часть отражается от границы раздела (луч 1'). При углах падения r' < r'' < 90° преломления света не происходит и наступает полное внутреннее отражение (луч 2'). Предельный угол полного внутреннего отражения r' соответствует углу преломления r'' = 90° и, следовательно,

.

Зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно вычислить показатель преломления второй среды.

Рис. 1.4. Полное внутреннее отражение при переходе луча из более плотной в менее плотную оптическую среду, n₂ > n₁

При измерениях показателя преломления с помощью рефрактометра Аббе можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча. Оптическая схема рефрактометра показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Оптическая схема рефрактометра Аббе

Основная его часть содержит две стеклянные прямоугольные призмы P₁ 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.

При освещении призм Р₁ и Р₂ белым светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета. Чтобы получить резкое изображение, перед объективом Л₂ зрительной трубы помещают две призмы прямого зрения П₁ и П₂ (призмы Амичи). Каждая призма состоит из трех склеенных призм с различными показателями преломления и различной дисперсией (например, крайние призмы изготовлены из кронгласа, а средняя – из флингласа). Призмы рассчитаны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны 5893 Å не испытывал отклонения. Такое устройство называется компенсатором. Л₁ - окуляр с отсчётной шкалой, расположенной в фокальной плоскости объектива Л₂.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 1.6. Свет проникает в призму Р ₁ через грань EF и попадает в жидкость через матовую грань ED. Свет, рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0° £ i₁ £ 90°) падает на сторону AC призмы Р₂. Скользящему лучу в жидкости (i₁ = 90°) соответствует предельный угол преломления r₁. Преломленные лучи с углами больше r₁ не возникают. В связи с этим угол i₂ выхода лучей из грани AB может изменяться лишь в интервале от некоторого значения i₂ до 90°.

Рис. 1.6. Ход луча в призмах при использовании метода скользящего луча

Если свет, выходящий из грани AB, пропустить через собирающую линзу Л₁, то в её фокальной плоскости наблюдается резкая граница светлого и темного полей. Граница рассматривается с помощью линзы Л₂. Линзы Л₁ и Л₂ образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими нитями. Положение границы в фокальной плоскости линз зависит от величины показателя преломления жидкости n. Вращая трубу относительно призм, можно совместить границу раздела света и тени с центром креста. В этом случае измерение показателя преломления сводится к измерению угла i₂, образованного нормалью к грани AB и оптической осью зрительной трубы.

При измерении показателя преломления жидкости методом полного внутреннего отражения призму Р₂ освещают со стороны грани BС (рис. 1.7) через специальное отверстие в кожухе прибора.

Рис. 1.7. Ход лучей при использовании метода полного внутреннего отражения

Грань BС делается матовой. Свет в этом случае падает на границу раздела AC под всевозможными углами. При r₁ > r'₁ наступает полное внутреннее отражение, при r₁ < r'₁ свет отражается лишь частично. В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полутени.

Так как условия, определяющие величину предельного угла в методе скользящего луча и в методе полного внутреннего отражения, совпадают, положение линии раздела в обоих случаях тоже оказывается одинаковым.

Порядок выполнения задания 1.2

1. Установить рефрактометр так, чтобы свет от окна (неяркий) освещал верхнее окно прибора, через это отверстие свет попадает на осветительную призму.

2. Осторожно открыть верхнюю часть рефрактометра и на гладкую поверхность нижней призмы аккуратно, чтобы не поцарапать поверхность призмы, при помощи пипетки поместить несколько капель исследуемой жидкости.

3. Закрыть прибор и, смотря в окуляр, добиться хорошего освещения поля зрения, поворачивая рефрактометр против света.

4. Если в поле зрения окуляра нечетко видны деления, осторожно поворачивая окуляр, установить четкую видимость шкалы по своему глазу.

5. Если граница светотени имеет радужную окраску, то, вращая рукоятку компенсатора, добиться исчезновения радужной окраски.

6. Для определения показателя преломления (левая шкала) или процентного содержания сахара в растворе (правая шкала) вращением правой рукоятки добиться совпадения трёх чёрточек с границей светотени.

7. Измерения проделать не менее трёх раз.

8. После измерений осторожно, чтобы не поцарапать поверхность призмы, очистить поверхность ватой, смоченной дистиллированной водой.

9. Результаты измерений для всех растворов занести в табл.1.2.

10. Построить график зависимости показателя преломления n от концентрации раствора.

Таблица 1.2

№ п/п	Показатель преломления, n	Содержание сахара, %
1-й раствор

Контрольные вопросы к заданию 1.2

1. Что называется абсолютным и относительным показателем преломления?

2. Что такое полное внутреннее отражение?

3. Что называется предельным углом полного внутреннего отражения?

4. Как зависит показатель преломления раствора от концентрации?

5. Что представляет собой оптическая схема рефрактометра?

Рекомендуемая литература: [2], [5], [6], [7], [10], [12]

Дата добавления: 2015-06-04