阿贝折射仪与旋光效应

中国地质大学（武汉）

实验报告

课程名称：近代物理实验

实验名称：阿贝折射仪与旋光效应

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组员：

指导老师：

实验地点:

阿贝折射仪

阿贝折射仪是能测定透明、半透明液体或固体的折射率和平均色散的仪器

（其中以测透明液体为主），如仪器上接恒温器，则可测定温度为0℃—70℃内

的折射率。

折射率和平均色散是物质的重要光学常数之一，能借以了解物质的光学性能、纯

度、及色散大小等。本仪器能测出蔗糖溶液的质量分数（锤度Brix）（0-95%,相

当于折射率为1.333-1.531）.故此仪器使用范围甚广，是石油T业、油脂T业、

制药工业、制漆工业、日月化学工业、制糖工业和地质勘察等有关工厂、学校及

有关科研单位不可缺少的常用设备之一。

一、实验原理：

折射仪的基本原理即为折射定律：nl,nln2为交界面的两侧的两种介质的折

射率

若光线从光密介质进入光疏介质，入射角小于折射角，改变入射角可以使

折射达到90°,此时的入射角称为临界角，本仪器测定折射率是基于测定临界

角的原理。

当不同角度光线射入AB面时，其折射都大于I,如果用一望远镜对出射光

线视察，可以看到望远镜视场被分为明暗两部分，二者之间有明显分界线。明暗

分界处即为临界角的位置。

光与物质相互作用可以产生各种光学现象（如光的折射、反射、散射、透射、吸

收、旋光以及物质受激辐射等），通过分析研究这些光学现象，可以提供原子、

分子及晶体结构等方面的大量信息。所以，不论在物质的成分分析、结构测定及

光化学反应等方面，都离不开光学测量。下面介绍物理化学实验中常用的几种光

学测量仪器。

折射率是物质的重要物理常数之一，许多纯物质都具有一定的折射率，如果其

中含有杂质则折射率将发生变化，出现偏差，杂质越多，偏差越大。因此通过折

射率的测定，可以测定物质的浓度。

图n-5-2光的折射

在实际测量折射率时，我们使用的入射光不是单色光，而是使用由多种单色光

组成的普通白光，因不同波长的光的折射率不同而产生色散，在目镜中看到一

条彩色的光带，而没有清晰的明暗分界线，为此，在阿贝折射仪中安置了一套

消色散棱镜（又叫补偿棱镜）。通过调节消色散棱镜，，更测量棱镜出来的色散光

线消失，明暗分界线清晰，此时测得的液体的折射率相当于用单色光钠光D线

（5890*!）所测得的折射率nD。

（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楂镜（折射串率为n）组成，一个是进光

楂镜，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（nx<n）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）o

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面以团角出射，若团，则由折射定律得

z?rsin/=/?sina1）

wsinp=sin(p/2)

其中a为AB面上的折射角，B为AC面上的入射角。由图

4得楂镜顶角A与a角及B角的关系为

4=a+0则a=A—0代入1)式得

nxsini="sin(A-p)="(sinAcosp-cosAsinP)3)

由2)式得n2sin2[3=sin2(pf

即n2(l-cos2p)=sin2(p'

n2-772cos2p=sin2(p'

贝ljcosp=y](n2-sin2(pr)//22

代入3)式得:团

从图4可以看出,对于光线“1”，有190》，sini-l,回一回，则上式变为

22

nt=sinAyjn-sin(p-cosAsin<p

因此，若折射棱镜的折射率n、折射顶角95已知，只要测出出射角而即可求

出待测液体的折射率团。

若此这时出射光线与顶角A在AC面法线的同侧，上式变为

22

nx=sinAy]n—sin(p+cosAsin(p

阿贝折射仪是如何测量与光线“1”相对应的出射角囹呢?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回角对应的折射率值，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n2)

nx,一般用折射率较高的溟代苯)，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。当回时，同理，由折射定律和几何关系可

得待测固体折射率为

=sinAy]n~-sin2（p±cosAsintp

当出射光线与顶角A分居于AC面法线两侧时，公式取“一”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

面上出射极限角瓦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M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用者，皆全反射，再

经AC面射出，用望远镜对准团角方向，同样观察到明暗视场，但明暗差别不如透

射光。用反射光测量固体的折射率时，只需一个抛光面

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（入=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，则可测定温度为内的折射率即nD.

二、实验仪器：

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。

仪器规格：

1.折射率测量范围（nD）:1.3000-1.7000

2.准确度（nD）:±0.00002

3.蔗糖溶液质量分数（锤度Brix）读数范围:0~95%

4.仪器外形尺寸：100X200X240mm

5.仪器重量:2.6kg

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（自然光或白炽灯）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。山摆动反射镜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

漫敌短视场望远镜视场

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

三、实验内容

准备工作

（1）在开始测定前，必须先用标准试样校对读数。对折射棱镜的抛光面加

广2滴澳蔡，再贴上标准试样的抛光面，当读数视场指示于标准试样上之值时，

观察望远镜内明暗分界线是否在十字线中间，若有偏差则用螺丝刀微量旋转图

七上小孔（16）内的螺钉，带动物镜偏接，使分界线象」立移至十字线中心，通过

反复地观察与校正，使示值的起始误差降至最小（包括操作者的瞄准误差）。校

正完毕后，在以后的测定过程中不允许随意再动此部位。

如果在日常的工作中，对所测量的折射率示值有怀疑时，可按上述方法用标准

试样进行检验，是否有起始误差，并进行校正。

（2）每次测定工作之前及进行示值校准时必须将进光棱镜的毛面，折射棱镜的

抛光面及标准试样的抛光面，用无水酒精与乙醛（1：4）的混合液和脱脂棉花轻

擦干净，以免留有其他物质，影响成象清晰度和测量精度。

测定工作

（1）测定透明半透明液体：

将被测液体用干净滴管加在折射棱镜表面，并将进光棱镜盖上，用手轮

（10）锁紧，要求液层均匀，充满视场，无气泡。打开遮光板（3）,合上反射

镜（1）,调节目镜视度，使十字线成象清晰，此时旋转手轮（15）并在目镜视

场中找到明暗分界线的位置，再旋转手轮（6）使分界线不带任何彩色，微调手

轮（15）,使分界线位于一字线的中心，再适当转动聚光镜（12）此时目镜视场

下方显示示值即为被测液体的折射率。

（2）测定透明固体：

被测物体上需要有一个平整的抛光面，把进光棱镜打开，在折射棱镜的抛

光面上加广2滴浪代蔡，并将被测物体的抛光面擦干净放上去，使其接触良好，

此时便可在目镜

视场中寻找分界线，瞄准和读数的操作方法如前所述。

（3）测定半透明固体:

被测半透明固体上也需要有一个平整的抛光面。测量时将固体的抛光面用澳

代茶沾在折射棱镜上，打开反射镜（1）并调整角度利用反射光束测量，具体操

作方法同上。

（4）测量蔗糖内糖量浓度：

操作与测量液体折射率时相同，此时读数可直接从视场中示值上半部读出，

即为蔗糖溶液含糖量浓度的百分数。

（5）阿贝折射仪测定平均色散值：

基本操作方法与测量折射率时相同，只是以两个不同方向转动色散调节手轮（6）

时，使视场中明暗分界线无彩色为止，此时需记下每次在色散值刻度圈（7）上

指示的刻度值Z,取其平均值，再记下其折射率nD。根据折射率疝值，在阿贝

折射仪色散表的同一横行中找出A和B值（若nD在表中二数值中间时用内插法

求得）。再根据Z值在表中查出相应的6值。当Z>30时取负值，当Z<30时取

正值，按照所求出的A.B.值代入色散公式就可求出平均色散值（例子看第14

页）

（6）若需测量在不同温度时的折射率，将温度计旋入温度计座（13）中，接上

恒温器通水管，把恒温器的温度调节到所需测量温度，接通循环水，待温度稳

定十分钟后，即可测量

四、实验数据

Z值:41.541.541.641.541.541.441.541.5

折射率：1.3105

五、数据处理

Z平均值:41.5

查表知：

A=0.02473

B=0.03276

=-0.5665

=0.00617

六、存在的问题及对策

阿贝折射仪是一种精密的光学仪器，使用时应注意以下几点：

（1）使用时要注意俣护棱镜，清洗时只能用擦镜纸而不能用滤纸等。加试

样时不能将滴管口触及镜面。对于酸碱等腐蚀性液体不得使用阿贝折射仪。

（2）每次测定时，试样不可加得太多，一般只需加2〜3滴即可。

（3）要注意保持仪器清洁，保护刻度盘。每次实验完毕，要在镜面上加几

滴丙酮，并用擦镜纸擦干:最后用两层擦镜纸夹在两棱缭镜面之间，以免镜面损

坏。

（4）读数时，有时在目镜中观察不到清晰的明暗分界线，而是畸形的，这是

由于棱镜间未充满液体；若出现弧形光环，则可能是由于光线未经过棱镜而直

接照射到聚光透镜上。

（5）若待测试样折射率不在L3〜1.7范围内，则阿贝折射仪不能测定，也看

不到明暗分界线。

七、参考文献

阿贝折射仪产品说明书

梁钦廷，《物理光学》，也子工业出版社

赵凯华编著，《光学》，高等教育出版社

廖昱博等，阿贝折射仪测量溶液浓度研究，赣南师范学院学报,2012（3）

张延滨等，阿贝折射仪测定糖浓度，黑龙江医药,1996（9）

旋光效应

一.实验目的

1.了解旋光仪设计原理。

2.学会用旋光仪测糖溶液的旋光率及浓度。

二、实验原理

对于晶体•类的旋光物质，旋光度Q与光所透过的晶体厚度成正比；若为溶液，

则正比于溶液在玻璃管中的长度L和溶液的浓度C:

Q=aCL.(I)

式中的比例系数a称为旋光率，其含义为当L=10cm,c=lg/cm3时光振动方向转

过的角度(对糖溶液而言，a与入射光波长入及温度T有关，对某些物质还与物

质的浓度有关)。实验采用钠灯作为光源，实验过程中通常温度变化很小，可以

忽略。玻璃管长度L已知，转角Q需要测帚出来，这样.根据已知浓度C即可算

出旋光率a,再根据已知的a即可测定未知糖溶液浓度C。

本实验采用的仪器为旋光仪，它的主要结构如图1所示。

10

El觉光仪骏速结向国

1：例光灯2：毛破喏3：聂光馁4:起掠馁5：半彩片6：样品管

7,检假馍8：刻度盘就动手他9：且馁网桁手轮10：目馁11,放大

饿12：副度盘及时林

族庶族腐

可

\石英

国2半影片结构

其中，起偏镜4和检偏镜7由透明的尼科耳棱镜制成；羽黄光经聚光镜3和起偏

镜4后成为与尼科耳棱镜透振方向平行的线偏振光。半影片5两侧是透明玻璃,

中间为由石英制成的对钠黄光的入/2波片，三者粘在一起形成平面圆片（如图2

所示），以产生三分视场（石英片两侧配以一定厚度的玻璃片，目的之一是为补

偿因石英片吸收引起的光强差别）。于是，线偏振光分别经石英晶体和两侧玻璃

后成为夹角为2。（。为入/2波片的快轴与起偏镜透振方向之间的夹角）的两束

线偏振光，如图3中P石英和P玻璃所示。在未放入糖溶液试管情况下，随着检

偏器的转动，目镜中将看到的三分视场的变化如图3所示，（a）:中部暗、两侧

较亮，视场分界线清晰；（b）:三分视场的界线消失，全视场为很暗的黄色；（c）:

中部较亮、两侧很暗，视场分界线清晰；（d）:三分视场的界线消失，整个视场

呈亮黄色。

由于人眼判断两个区域的暗度是否相同比判断亮度是否相同要灵敏得多。因此，

在未放入待测物质时，应将检偏器透光方向转向图3（b）中“P检”所示位置，并

记卜该位置所对应的刻度盘零位读数。

将糖溶液试管放入试管筒.此时，由半影片出射的两束线偏振光的夹角虽然仍为

20,但通过糖溶液后它们的振动面都沿同一方向转过了相同的角度Q。于是转

动检偏镜使视场再次回到图3（b）所示的状况，则检偏镜所转过的角度Q即为

被测糖溶液的旋光度。

仪器原理与结构

仪器原理（见图1）

光线从光源（1）投射到聚光镜（2）、滤光镜（3）、起偏镜（4）后，成平

面直线偏振光，再经半波片（5）分解成寻常光与非常光后，视场中出现了三分视

界。旋光物质盛入试管（6）放入镜筒测定，由于溶液具有旋光性，故把平面偏

图1仪器系统图

振光旋转了一个角度，通过检偏镜（7）起分析作用，从目镜（9）观察，就

能看到中间亮（或暗）左右暗（或亮）的照度不等三分视场（见图2a或b）,转

动度盘首轮（12）,带动度盘（11）,检偏镜⑺,觅得视场照度（暗视场）相一致

（见图2c）时为止。然后从放大镜中读出度盘旋转的角度（见图3）。

1.光源（钠光）2.聚光镜3.滤色镜4.起偏镜5.半波片6.试管7.检偏镜8.物镜

9.目镜10.放大镜11.度盘游标12.度盘转动手轮13.保护片

图2

◄

度入

满试管

后九

视

，觅得

镜后

检偏

转动

况

的情

致时

度相

场照

前

入液体

是未放

（也就

场）。

位视

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图2

构

仪器结

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