阿贝折射仪测介质折射率.doc

阿贝折射仪测介质折射率折射率是透明材料的一个重要光学常数。测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，最小偏向角法具有测量精度高、被测折射率的大小不受限制、不需要已知折射率的标准试件而能直接测出被测材料的折射率等优点。但是，被测材料要制成棱镜，而且对棱镜的技术条件要求高，不便快速测量。全反射法具有测量方便快捷，对环境要求不高，不需要单色光源等特点。然而，因全反射法属于比较测量，故其测量准确度不高（大约n=3 10-4），被测材料的折射率的大小受到限制（约为1.31.7），且对固体材料还需制成试件。尽管如此，在一些精度要求不高的测量中，全反射法仍被广泛使用。阿贝折射仪就是根据全反射原理制成的一种专门用于测量透明或半透明液体和固体折射率及色散率的仪器，它还可用来测量糖溶液的含糖浓度。它是石油化工、光学仪器、食品工业等有关工厂、科研机构及学校的常用仪器。【实验目的】1. 加深对全反射原理的理解，掌握应用方法。2. 了解阿贝折射仪的结构和测量原理，熟悉其使用方法。3. 通过对糖溶液折射率的测定确定其锤度。【实验仪器】WAY阿贝折射仪、待测液（蒸馏水，无水乙醇，糖溶液）、滴管 、脱脂棉【实验原理】一、仪器描述 阿贝折射仪是测量物质折射率的专用仪器，它能快速而准确地测出透明、半透明液体或固体材料的折射率（测量范围一般为1.4-1.7)，它还可以与恒温、测温装置连用，测定折射率与温度的变化关系。 阿贝折射仪的光学系统由望远系统和读数系统组成，如图1所示。望远系统。光线进入进光棱镜1与折射棱镜2之间有一微小均匀的间隙，被测液体就放在此空隙内。当光线（太阳光或日光灯）射入进光棱镜1时便在磨砂面上产生漫反射，使被测液层内有各种不同角度的入射光，经折射棱镜2产生一束折射角均大于出射角度i的光线。由摆动反射镜3将此束光线射入消色散棱镜组4，此消色散棱镜组是由一对等色散阿米西棱镜组成，其作用是可获得一可变色散来抵消由于折射棱镜对不同被测物体所产生的色散。再由望远镜5将此明暗分界线成像于分划板 7上，分划板上有十字分划线，通过目镜8能看到如图2上部分所示的象。读数系统。光线经聚光镜12照明刻度板11（刻度板与摆动反射镜3连成一体同时绕刻度中心作回转运动）。通过反射镜10，读数物镜9，平行棱镜6将刻度板上不同部位折射率示值成象于分划板7上(见图2)图 1 望远系统读数系统光路图1.进光棱镜 2.折射棱镜3.摆动反光镜4.消色散棱镜组5.望远物镜组6.平行棱镜7.分划板8.目镜9.读数物镜10反光镜11.刻度盘12.聚光镜图 2 读数镜视场中右边为液体折射率刻度，左边为蔗糖溶液质量分数（锤度Brix）（0-95，刻度） 图3仪器结构图1反射镜2棱镜座连接转轴3遮光板5进光棱座6色散调节手轮7色散值刻度圈8目镜9盖板10锁紧手轮11折射标棱镜座12照明刻度聚光镜13温度计座14底座15折射率刻度手轮17壳体18恒温器接头二、实验原理 阿贝折射仪是根据全反射原理设计的，有透射光(掠入射)与反射光(全反射)两种使用方法。（一）测定液体的折射率若待测物为透明浓体，一般用透射光即掠入射方法来测量其折射率nx。阿贝折射仪中的阿贝棱镜组由两个直角角棱镜(折射串率为n)组成，一个是进光棱镜，它的弦面是磨砂的，其作用是形成均匀的扩展面光源。另一个是折射棱镜。待测液体(nxn)夹在两棱镜的弦面之间，形成薄膜。如图4所示， 图 4光先射入进光棱镜，由其磨砂弦面A，B，产生漫射光穿过液层进入折射棱镜(图中ABC)。因此到达液体和折射棱镜的接触面(AB面)上任意一点E的诸光线(如1，2，3等)具有各种不同的入射角，最大的入射角是90度。，这种方向的入射称为掠入射。对不同方向入射光中的某条光线，设它以入射角i射向AB面，经棱镜两次折射后，从AC面以角出射，若，则由折射定律得 1） 2）其中为AB面上的折射角，为AC面上的入射角。由图4得棱镜顶角A与角及角的关系为则 代入1）式得 3）由2）式得即则代入3）式得：从图4可以看出，对于光线“1”，有i90，sini1，则上式变为 因此，若折射棱镜的折射率n、折射顶角95已知，只要测出出射角即可求出待测液体的折射率。若,这时出射光线与顶角A在AC面法线的同侧，上式变为阿贝折射仪是如何测量与光线“1”相对应的出射角呢?由图4可知。除光线“1”外，其它光线“2”、“3”等在AB面上的入射角皆小于90度。因此当扩展光源的光线从各个方向射向AB面时，凡入射角小于90度的光线，经棱镜折射后的出射角必大于角而偏折于“1”的左侧形成亮视场。而“1”的另一测因无光线而形成暗场。显然，明暗视场的分界线就是掠入射光束“1”的出射方向(“1”)。 阿贝折射镜标出了与角对应的折射率值，测量时只要使明暗分界线与望远镜叉丝交点对准，就可从视场中折射率刻度读出nx值。（二）、测定固体的折射率若待测固体有两个互成90度角的抛光面，则可用透射光测定其折射率，如图5所示，在待测固体和折射棱镜AB面上滴一滴接触液（其折射率为n2，要求n2nx），一般用折射率较高的溴代苯），扩展光源发出的光直接进入待测固体（不用进入光棱镜），经过接触液进入折射棱镜，其中一部分光线在通过待测固体时，传播方向平行于固体与接触液的交界面。当时，同理，由折射定律和几何关系可得待测固体折射率为当出射光线与顶角A分居于AC面法线两侧时，公式取“”号，反之，若在同侧时，公式取“”号。由于折射棱镜的n和A均已知，只要测出光线掠入射经过待测固体时，由棱镜AC面上出射极限角，由上式即可算出待测固体的折射率。用阿贝折射仪测量时，只要明暗分界线与望远镜叉丝交点对准，就可直接读出nx值。接触液的存在并不影响nx的测量，但只要求折射率。接触液的作用是使得待测样品面和折射棱镜面形成良好的光学接触，没有空隙且有粘附性。此外，用反射光测定折射率的原理如图6所示，光由折射棱镜的磨砂面BC进入，此时BC面就成为一个扩展面光源，到达AB面（与待测物质的接触面）上任意一点的诸光线具有不同的入射角，凡入射角大于临界角者，皆全反射，再经AC面射出，用望远镜对准角方向，同样观察到明暗视场，但明暗差别不如透射光，而且明暗相对透射法测量颠倒。用反射光测量固体的折射率时，只需一个抛光面 图 5 图 6 任何物质的折射率都与测量时使用的光波的波长有关。阿贝折射仪因此有光补偿装置（阿米西棱镜组），所以测量时可用白光光源，且测量结果相当于对钠黄光（589.3nm）的折射率（即nD）。另外，液体的折射率还与温度有关，因此若仪器接上恒温器，则可测定温度为0-50内的折射率即nD。【实验内容与步骤】 测定液体的折射率1. 用脱脂棉沾酒精将进光棱镜和折射棱镜擦拭干净，干燥后使用。避免因残留有其他物质，而影响测量结果。2. 用滴管将少许待测液滴在折射棱镜的表面上，并将进光棱镜盖上，旋紧棱镜锁紧手轮10锁紧，待测液在中间形成一层均匀无气泡的液膜。3. 打开进光棱镜上的遮光板，关闭折射棱镜上遮光板用透射光测量，旋转折射率刻度调节手轮15找到明暗分界线使之大致对准十字叉丝的交点。然后旋转阿米西棱镜手轮6，消除视场中出现的色彩，使视场中只有黑白分界线。4. 再次微调手轮15，使明暗分界线正对十字线中心。此时，目镜视场中折射率刻度示值即为被测液体的折射率。读取数据时首先沿正方向旋转棱镜转动手轮（如向前），调节到位后，记录一个数据。然后继续沿正方向旋转一小段后，再沿反方向（向后）旋转棱镜转动手轮，调节到位后，又记录一个数据。取两个数据的平均值为一次测量值。5. 分别测定蒸馏水、无水乙醇和糖溶液的折射率各6次。关闭进光棱镜遮光板，打开折射棱镜遮光板用反射光法测量三种溶液折射率各6次。测量糖溶液时，还要同时测出其锤度。6. 对透射光法和反射光法测定两组数据各求平均值和不确定度。【注意事项】1. 使用仪器前应先检查进光棱镜的磨砂面、折射棱镜及标准玻璃块的光学面是否干净，如有污迹用酒精棉擦拭干净。2. 用标准块校准仪器读数时，所用折射率液不宜太多，使折射率液均匀布满接触面即可。过多的折射率液易堆积于标准块的棱尖处，既影响明暗分界线的清晰度，又容易造成标准块从折射棱镜上掉落而损坏。3. 在加入的折射率液或待测液中，应防止留有气泡，以免影响测量结果。4. 读取数据时，首先沿正方向旋转棱镜转动手轮（如向前），调节到位后，记录一个数据。然后继续沿正方向旋转一小段后，再沿反方向（向后）旋转棱镜转动手轮，调节到位后，又记录一个数据。取两个数据的平均值为一次测量值。5. 实验过程中要注意爱护光学器件，不允许用手触摸光学器件的光学面，避免剧烈振动和碰撞。6. 仪器使用完毕后，要将棱镜表面及标准块擦拭干净，目镜套上镜头保护纸，放入盒内。 【数据记录及处理】测定液体的折射率 环境温度t= 表一透射光法 折射率次数蒸馏水无水乙醇糖溶液前后平均前后平均折射率锤度（）123456平均值 c 合成不确定度 测量结果 表二反射光法 折射率次数蒸馏水无水乙醇糖溶液前后平均前后平均折射率锤度（）123456平均值 c 合成不确定度 测量结果 【思考题】1 阿贝折射仪使用什么光源？所测得的折射率是对哪条谱线的折射率？2 进光棱镜的工作面为什么要磨砂？3 溴代苯溶液起何作用？对其折射率有何要求？4 阿贝折射仪测定折射率的原理是什么？若待测物质折射率大于折射棱镜的折射率，能否测量？为什么？并写出本实验测定折射率的范围。折射率和平均色散是表征物质光学特性的两 折射率和平均色散是表征物质光学特性的两个重要常数，借助它们可以了解物质的光学 个重要常数，借助它们可以了解物质的光学性能、纯度、浓度及色散大小等。阿贝折射 性能、纯度、浓度及色散大小等。阿贝折射仪是最常用的测量物质折射率与平均色散的 仪是最常用的测量物质折射率与平均色散的仪器，在科学研究与石油、油脂、制药、制 仪器，在科学研究与石油、油脂、制药、制漆、食品、制糖、日用化工等行业中有着极 漆、食品、制糖、日用化工等行业中有着极其广泛的应用。 其广泛的应用。 实验目的 实验目的 了解阿贝折射仪光学系统的结构及其工作 了解阿贝折射仪光学系统的结构及其工作 测定几种常见液体的折射率。 测定几种常见液体的折射率。 2WA 2WA-JJ 阿贝折射仪 阿贝折射仪 纯净水及酒精溶液 纯净水及酒精溶液 带有滴管的试剂瓶两个 带有滴管的试剂瓶两个 阿贝折射仪的结构 阿贝折射仪的结构 1 反射镜；2 转轴；3 遮光板；4 温度计；5 进光棱镜座；6色散调节手轮；7 色散值刻度圈；8目镜；9 壳体；10 手轮；11 折射棱镜；12聚光镜；13 温度计座；14 底座；15 为折射率刻度调节手轮；16 调节螺丝 目镜 折射率刻度调节手轮 色散调节手轮 温度计 进光棱镜座 恒温器接头 锁紧手轮 其中心部件是由两块直角棱镜组成的棱镜组，下面一块是可以启闭的辅助棱镜，其斜面是磨砂的，液体试样夹在辅助棱镜与测量棱镜之间，展开成一薄层。光由光源经反射镜反射至辅助棱镜，磨砂的斜面发生漫射。 实验原理 实验原理 当光线从光密介质进入光疏介质时，入射角会小 当光线从光密介质进入光疏介质时，入射角会小于折射角。改变入射角可使折射角达到 于折射角。改变入射角可使折射角达到90 90，此 ，此时的入射角称为临界角。 时的入射角称为临界角。2WA 2WA-J J 阿贝折射仪测定 阿贝折射仪测定折射率的工作即利用了测定临界角的原理如下 折射率的工作即利用了测定临界角的原理如下图示 图示 N 1 N 1 则有 则有 由平面几何学可知 由平面几何学可知 1 2 2 sin90 sin sin sin n n n i （1）将已知的棱镜折射角 及棱镜材料折射率n 2 、测得的临界角 i 的正弦值sini，即可算得待测液体的折射率n 1 。将此计算结果在分划板上制成折射率标尺，在测量时即可直接 从分划板上读出测得的折射率值 当入射光自待测液体中以90入射时，在折射棱镜中的折射角就是临界角 c 。该光线再经一次折射后，进入望远系统的出射角记为i。当入射光以小于90的不同角度入射时，所有的出射角都将大于i。于是望远镜中的视场被分为明暗两个部分，二者之间的分界线即为临界角所对应的位置。记待测液体的折射率为n 1 , 折射棱镜ABCD的折射率为n 2 ，且有n 1 n 2 。 依折射定律有 从液体试样层进入测量棱镜的光线各个方向都有，从测量棱镜的直角边上方可观察到临界折射现象。转动棱镜组转轴的手柄，调节棱镜组的角度，使临界线正好落在测量望远镜视野的X型准丝交点上。由于刻度盘与棱镜组的转轴是同轴的，因此与试样折光率相对应的临界角位置能通过刻度盘反映出来。刻度盘上的示值有两行，一行是在以日光为光源的条件下将Z i 值和KIO 3 值直接换算成相当于钠光D线的折光率HCl（从1.3000至 1.7000）；另一行为095%，它是工业上用折光仪测量固体物质在水中浓度的标准。通常用于测量蔗糖的浓度。 为使用方便，阿贝折光仪光源采用日光而不用单色光。日光通过棱镜时由于其不同波长的光的折射率不同，因而产生色散，使临界线模糊。为 此在测量望远镜的镜筒下面设计了一套消色散棱镜（Amici棱镜），旋转消色散手柄，就可以使色散现象消除。 阿贝折射仪的使用 阿贝折射仪的使用 松开锁钮，开启辅助棱镜，使其磨砂的斜面处于水平位置，用滴定管加小量丙酮清洗镜面，促使难挥发的玷污物逸走，用滴定管时注意勿使管尖碰撞镜面。将被测液 将被测液体用干净滴管加在折射棱镜 体用干净滴管加在折射棱镜表面； 表面； 61 将进光棱镜盖上，用 手轮锁紧，要求液层均匀，充满视场，无气泡。 1.加样 打开遮光板，合 打开遮光板，合上反射镜，调节 上反射镜，调节目镜视度，使十 目镜视度，使十字线成象清晰， 字线成象清晰， 2. 3. 粗调 转动手柄，使刻度盘标尺上的示值逐渐增大，直至观察到视场中出现彩色光带或黑白临界线为止。 4. 消色散 转动消色散手柄，使视场内呈现一个清晰的明暗临界线。 5. 精调 转动手柄，使临界线正好处在X形准丝交点上，若此时又呈微色散，必须重调消色散手柄，使临界线明暗清晰。（调节过程在右边目镜看到的图像颜色变化如下图） 此时旋转色散调节手轮 此时旋转色散调节手轮使分界线不带任何彩色， 使分界线不带任何彩色，再微调刻度手轮，使分 再微调刻度手轮，使分界线位于十字线的中心。 界线位于十字线的中心。此时视场下方显示值的 此时视场下方显示值的下排读数即为被测液体 下排读数即为被测液体的折射率。 的折射率。 注意： 注意： 在正式测定前可 在正式测定前可用纯水调校仪器。 用纯水调校仪器。当分界线位于十 当分界线位于十字线的中心时， 字线的中心时，下方显示值应为 下方显示值应为 上排读数 上排读数00（百分 （百分比浓度）、下排 比浓度）、下排 1.333 1.333（折射率）。 （折射率）。 如刻度值不正确， 如刻度值不正确，可用螺丝刀旋转 可用螺丝刀旋转调节螺丝校正。 调节螺丝校正。 6161 打开小反光镜，调节反射镜，使两个望远镜视场明亮 打开小反光镜，调节反射镜，使两个望远镜视场明亮 ，调节望远镜系统中的目镜，看清分划板上的刻度线（ 调节望远镜系统中的目镜，看清分划板上的刻度线（XX型型准线），调节读数望远镜中的目镜，并转动棱镜手轮，看 准线），调节读数望远镜中的目镜，并转动棱镜手轮，看清刻度值。 清刻度值。 6161 把棱镜组打开，用酒精将棱镜表面擦洗干净，将被测液体 把棱镜组打开，用酒精将棱镜表面擦洗干净，将被测液体用干净滴管加在折射棱镜表面上，并将进光棱镜盖上，用 用干净滴管加在折射棱镜表面上，并将进光棱镜盖上，用手轮锁紧。要求液层均匀充满视场而无气泡。打开遮光板， 手轮锁紧。要求液层均匀充满视场而无气泡。打开遮光板，合上反射镜，调节目镜使十字线成像清晰。 合上反射镜，调节目镜使十字线成像清晰。 6161 旋转手轮在目镜视场中找到明暗分界线的位置后旋转手