Оптическая схема рефрактометра

В данной работе используется рефрактометр Аббе, действие которого основано на измерении предельного угла преломления. Оптическая схема рефрактометра приведена на рис. 4. Исследуемый раствор помещают между плоскостями двух призм - осветительной 3 и измерительной 4, изготовленных из стекла с большим показателем преломления (n = 1.9). Большой показатель преломления измерительной призмы позволяет сохранять условие n_p < n _ст для большого диапазона плотностей измеряемых жидкостей. Шкала прибора проградуирована до значения n_p =1.7. От источника 1 пучок света направляется конденсором 2 на входную грань осветительной призмы. Пройдя осветительную призму 3, свет падает на матовую гипотенузную грань АВ данной призмы, граничащую с тонким слоем исследуемой жидкости. Матовая поверхность имеет неровности, размеры которых составляют несколько длин волн. Свет рассеивается на этих неровностях по всей поверхности и, пройдя через тонкий слой раствора, падает на границу раздела “раствор-стекло” под всевозможными углами падения, т.е. угол падения изменяется в пределах от 0⁰ до 90⁰.

 На зеркальной гипотенузной грани CD измерительной призмы 4 свет преломляется (размеры неровностей на этой грани меньше длины волны). Вследствие того, что n_p < n _ст, угол преломления изменяется в пределах отнуля до γ _пр. Под углами γ > γ _пр излучение не наблюдается. Таким образом, при угле преломления, равном γ _пр , возникает граница свет – тень. Величина n_p определяется из соотношения sin γ _пр = n_p / n _ст, где величина n _ст известна.

Ход лучей света при выходе его из измерительной призмы легко учитывается при градуировке прибора т. к. преломление света происходит на границе “стекло-воздух”, причем показатели преломления обеих сред известны. Угол преломления света на этой границе не влияет на точность измерения n_p.

Благодаря засветке всего слоя раствора граница света и тени наблюдается достаточно резко. Поэтому, настраивая прибор к работе, свет от осветителя нужно направить на призму так, чтобы он равномерно осветил всю поверхность грани АВ рассеивающей призмы. Для определения угла, под которым выходят лучи из измерительной призмы, используется зрительная труба, образованная объективом 6 и окуляром 9, свет в которую поступает через систему призм прямого зрения 5. При этом используется то свойство зрительной трубы, что лучи, идущие к ней параллельно её оси, собираются в заднем фокусе, где помещена прозрачная пластинка 7 с нанесенным на ней перекрестием сетки. Перекрестие точно совпадает с фокусом.

Рис. 4. Ход лучей в рефрактометре при измерении показателя преломления методом скользящего луча.

Оптическая схема прибора:
1-источник света, 2-конденсор, 3-осветительная призма,
4-измерительная призма, 5-призма прямого зрения,
6-объектив зрительной трубы, 7-сетка с перекрестием, 8-шкала,
9-окуляр зрительной трубы, 10-поле зрения окуляра.

Призмы прямого зрения и зрительная труба жёстко связаны между собой и могут поворачиваться относительно измерительной призмы. Угол поворота измеряется по неподвижной шкале 8, расположенной в общей фокальной плоскости объектива и окуляра. Шкала проградуирована в значениях показателя преломления исследуемого раствора на основании формулы (6). Осуществляя поворот зрительной трубы, можно установить её ось параллельно лучам, преломившимся на грани CD под предельным углом γ_пр. При этом в поле зрения окуляра будут наблюдаться светлая и тёмная области, граница между которыми будет совпадать с перекрестием. Светлая область образована лучами, преломлёнными на грани CD под углами, меньшими предельного, а тёмная область возникает из-за отсутствия лучей, идущих под углами, большими предельного. Положение границы света и тени, образованной лучами, преломлёнными под предельным углом, укажет на шкале 8 искомую величину показателя преломления раствора.

Источник света 1 не является монохроматическим. Поэтому вследствие дисперсии, как исследуемого вещества, так и материала измерительной призмы, (зависимости их показателей преломления от длины волны света), граница света и тени, наблюдаемая в зрительную трубу, оказывается размытой и окрашенной. Для устранения этого эффекта используются призмы прямого зрения 5, образующие дисперсионный компенсатор. Призмы рассчитаны так, чтобы лучи с длиной волны λ _D = 589,3 нм (среднее значение длины волны натрия) не отклонялись при прохождении через них. При повороте одной призмы относительно другой их суммарная дисперсия изменяется, что позволяет скомпенсировать различие в углах выхода лучей с различными длинами волн из измерительной призмы и направить их в зрительную трубу параллельно лучам с длиной волны λ _D. Граница света и тени при этом получается резкой, неокрашенной и даёт значение показателя преломления исследуемого раствора n _D на длине волны λ _D.

3. 2. Конструкция рефрактометра

Конструктивно прибор состоит из двух основных частей (см. рис.5): верхней - корпус 2 и нижней - основание 1. К корпусу крепятся камеры: верхняя - 5 и нижняя - 3. Нижняя камера, заключающая в себе измерительную призму, жёстко закреплена в корпусе, верхняя камера с осветительной призмой соединена шарниром с нижней и может поворачиваться относительно неё.

Нижняя и верхняя камеры имеют окна, закрывающиеся пробкой. На штуцере нижней камеры подвижно закреплён осветитель 4, пучок света из которого может быть направлен в окно камеры и установлен так, чтобы получить контрастное изображение в зрительной трубе.

На оси прибора укреплены: рукоятка 10 с окуляром 9 (для наблюдения границы света и тени и совмещения её с перекрестием), а также рукоятка дисперсионного компенсатора 7 с лимбом дисперсии 6 (для устранения окрашенности наблюдаемой в окуляр границы света и тени). Со стороны передней стенки корпуса видна шкала рефрактометра 8. На передней стенке основания расположен тумблер 11 для включения осветителя.

Рис.5. Внешний вид рефрактометра:

1–основание; 2–корпус; 3–нижняя камера; 4–осветитель; 5–верхняя камера; 6–лимб дисперсии; 7–рукоятка дисперсионного компенсатора; 8–шкала; 9–окуляр; 10–рукоятка перемещения окуляра; 11–тумблер включения осветителя.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1.1. Включите рефрактометр в сеть.

4.1.2. Откройте верхнюю камеру и нанесите концом пластмассовой трубки на плоскость измерительной призмы несколько капель дистиллированной воды так, чтобы она покрыла всю плоскость призмы, и аккуратно закройте камеру.

4.1.3. Перемещением рукоятки с окуляром вдоль шкалы вверх и вниз выведите в поле зрения окуляра 9 границу света и тени (рис.4).

4.1.4. Вращением гайки окуляра добейтесь резкого изображения штрихов шкалы и перекрестия окуляра.

4.1.5. Если необходимо, устраните окрашенность границы света и тени вращением рукоятки дисперсионного компенсатора 7.

4.1.6. Совместите границу света и тени с перекрестием (рис.4) и снимите отсчёт по левой шкале 8 показателей преломления на уровне резкой границы света и тени.

4.1.7. Произведите измерения показателей преломления растворов глицерина (эталонных и с неизвестной концентрацией) аналогично измерению показателя преломления дистиллированной воды.