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光與物質(zhì)相互作用可以產(chǎn)生各種光學(xué)現(xiàn)象(如光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋
1.阿貝折射儀的構(gòu)造原理
阿貝折射儀的外形圖如圖Ⅱ-5-1所示。
當(dāng)一束單色光從介質(zhì)Ⅰ進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ(兩種介質(zhì)的密度不同)時(shí)，光線(xiàn)在通過(guò)界面時(shí)改變了方向，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光的折射，如圖Ⅱ-5-2所示。
圖Ⅱ-5-1 阿貝折射儀外形圖
1.測(cè)量望遠(yuǎn)鏡;2.消散手柄;3.恒溫水入口;4.溫度計(jì);5.測(cè)量棱鏡;6.鉸鏈;7.輔助棱鏡;8.加液槽;9.反射鏡;10.讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡;11.轉(zhuǎn)軸;12.刻度盤(pán)罩;13.閉合旋鈕;14.底座。
圖Ⅱ-5-2 光的折射
光的折射現(xiàn)象遵從折射定律:
式中α為入射角，β為折射角，nⅠ、nⅡ為交界面兩側(cè)兩種介質(zhì)的折射率;nⅠ,Ⅱ為介質(zhì)Ⅱ?qū)橘|(zhì)Ⅰ的相對(duì)折射率。
若介質(zhì)Ⅰ為真空，因規(guī)定n=1.0000，故nⅠⅡ=nⅡ為絕對(duì)折射率。但介質(zhì)Ⅰ通常為空氣，空氣的絕對(duì)折射率為1.00029，這樣得到的各物質(zhì)的折射率稱(chēng)為常用折射率，也稱(chēng)作對(duì)空氣的相對(duì)折射率。同一物質(zhì)兩種折射率之間的關(guān)系為:
絕對(duì)折射率=常用折射率×1.00029
根據(jù)式(5.1)可知，當(dāng)光線(xiàn)從一種折射率小的介質(zhì)Ⅰ射入折射率大的介質(zhì)Ⅱ時(shí)(nⅠ<nⅡ)，
圖Ⅱ-5-3 阿貝折射儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖
1.反射鏡;2.輔助棱鏡;3.測(cè)量棱鏡;4.消色散棱鏡;5.物鏡;6.分劃板;7、8.目鏡;9.分劃板;10.物鏡;11.轉(zhuǎn)向棱鏡;12.照明度盤(pán);13.毛玻璃;14.小反光鏡。
根據(jù)(5.1)式可得:
(5.2)
因此在固定一種介質(zhì)時(shí)，臨界折射角β0的大小與被測(cè)物質(zhì)的折射率是簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系，阿貝折射儀就是根據(jù)這個(gè)原理而設(shè)計(jì)的。
2.阿貝折射儀的結(jié)構(gòu)
阿貝折射儀的光學(xué)示意圖如圖Ⅱ-5-3所示，它的主要部分是由兩個(gè)折射率為1.75的玻璃直角棱鏡所構(gòu)成，上部為測(cè)量棱鏡，是光學(xué)平面鏡，下部為輔助棱鏡。其斜面是粗糙的毛玻璃，兩者之間約有0.1mm～0.15mm厚度空隙，用于裝待測(cè)液體，并使液體展開(kāi)成一薄層。當(dāng)從反射鏡反射來(lái)的入射光進(jìn)入輔助棱鏡至粗糙表面時(shí)，產(chǎn)生漫散射，以各種角度透過(guò)待測(cè)液體，而從各個(gè)方向進(jìn)入測(cè)量棱鏡而發(fā)生折射。其折射角都落在臨界角β0之內(nèi)，因?yàn)槔忡R的折射率大于待測(cè)液體的折射率，因此入射角從0°～90°的光線(xiàn)都通過(guò)測(cè)量棱鏡發(fā)生折射。具有臨界角β0的光線(xiàn)從測(cè)量棱鏡出來(lái)反射到目鏡上，此時(shí)若將目鏡十字線(xiàn)調(diào)節(jié)到適當(dāng)位置，則會(huì)看到目鏡上呈半明半暗狀態(tài)。折射光都應(yīng)落在臨界角β0內(nèi)，成為亮區(qū)，其它部分為暗區(qū)，構(gòu)成了明暗分界線(xiàn)。
根據(jù)式(5.2)可知，只要已知棱鏡的折光率n棱，通過(guò)測(cè)定待測(cè)液體的臨界角β0，就能求得待測(cè)液體的折射率n液。實(shí)際上測(cè)定β0值很不方便，當(dāng)折射光從棱鏡出來(lái)進(jìn)入空氣又產(chǎn)生折射，折射角為β0′。n液與β0′之間的關(guān)系為:
(5.3)
式中r為常數(shù);n棱=1.75。測(cè)出β’0即可求出n液。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)折射儀時(shí)已將β’0換算成n液值，故從折射儀的標(biāo)尺上可直接讀出液體的折射率。
在實(shí)際測(cè)量折射率時(shí)，我們使用的入射光不是單色光，而是使用由多種單色光組成的普通白光，因不同波長(zhǎng)的光的折射率不同而產(chǎn)生色散，在目鏡中看到一條彩色的光帶，而沒(méi)有清晰的明暗分界線(xiàn)，為此，在阿貝折射儀中安置了一套消色散棱鏡(又叫補(bǔ)償棱鏡)。通過(guò)調(diào)節(jié)消色散棱鏡，使測(cè)量棱鏡出來(lái)的色散光線(xiàn)消失，明暗分界線(xiàn)清晰，此時(shí)測(cè)得的液體的折射率相當(dāng)于用單色光鈉光D線(xiàn)(5890*!)所測(cè)得的折射率nD。
3.阿貝折射儀的使用方法
(1)儀器安裝:將阿貝折射儀安放在光亮處，但應(yīng)避免陽(yáng)光的直接照射，以免液體試樣受熱迅速蒸發(fā)。用超級(jí)恒溫槽將恒溫水通入棱鏡夾套內(nèi)，檢查棱鏡上溫度計(jì)的讀數(shù)是否符合要求(一般選用(20.0±0.1)℃或(25.0±0.1)℃)
(2)加樣:旋開(kāi)測(cè)量棱鏡和輔助棱鏡的閉合旋鈕，使輔助棱鏡的磨砂斜面處于水平位置，若棱鏡表面不清潔，可滴加少量丙酮，用擦鏡紙順單一方向輕擦鏡面(不可來(lái)回擦)。待鏡面洗凈干燥后，用滴管滴加數(shù)滴試樣于輔助棱鏡的毛鏡面上，迅速合上輔助棱鏡，旋緊閉合旋鈕。若液體易揮發(fā)，動(dòng)作要迅速，或先將兩棱鏡閉合，然后用滴管從加液孔中注入試樣(注意切勿將滴管折斷在孔內(nèi))。
(3)調(diào)光:轉(zhuǎn)動(dòng)鏡筒使之垂直，調(diào)節(jié)反射鏡使入射光進(jìn)入棱鏡，同時(shí)調(diào)節(jié)目鏡的焦距，使目鏡中十字線(xiàn)清晰明亮。調(diào)節(jié)消色散補(bǔ)償器使目鏡中彩色光帶消失。再調(diào)節(jié)讀數(shù)螺旋，使明暗的界面恰好同十字線(xiàn)交叉處重合。
(4)讀數(shù):從讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡中讀出刻度盤(pán)上的折射率數(shù)值。常用的阿貝折射儀可讀至小數(shù)點(diǎn)后的第四位，為了使讀數(shù)準(zhǔn)確，一般應(yīng)將試樣重復(fù)測(cè)量三次，每次相差不能超過(guò)0.0002，然后取平均值。
4.阿貝折射儀的使用注意事項(xiàng)
阿貝折射儀是一種精密的光學(xué)儀器，使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
(1)使用時(shí)要注意保護(hù)棱鏡，清洗時(shí)只能用擦鏡紙而不能用濾紙等。加試樣時(shí)不能將滴管口觸及鏡面。對(duì)于酸堿等腐蝕性液體不得使用阿貝折射儀。
(2)每次測(cè)定時(shí)，試樣不可加得太多，一般只需加2～3滴即可。
(3)要注意保持儀器清潔，保護(hù)刻度盤(pán)。每次實(shí)驗(yàn)完畢，要在鏡面上加幾滴丙酮，并用擦鏡紙擦干。最后用兩層擦鏡紙夾在兩棱鏡鏡面之間，以免鏡面損壞。
(4)讀數(shù)時(shí)，有時(shí)在目鏡中觀(guān)察不到清晰的明暗分界線(xiàn)，而是畸形的，這是由于棱鏡間未充滿(mǎn)液體;若出現(xiàn)弧形光環(huán)，則可能是由于光線(xiàn)未經(jīng)過(guò)棱鏡而直接照射到聚光透鏡上。
(5)若待測(cè)試樣折射率不在1.3～1.7范圍內(nèi)，則阿貝折射儀不能測(cè)定，也看不到明暗分界線(xiàn)。
5.阿貝折射儀的校正和保養(yǎng)
阿貝折射儀的刻度盤(pán)的標(biāo)尺零點(diǎn)有時(shí)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，須加以校正。校正的方法一般是用已知折射率的標(biāo)準(zhǔn)液體，常用純水。通過(guò)儀器測(cè)定純水的折光率，讀取數(shù)值，如同該條件下純水的標(biāo)準(zhǔn)折光率不符，調(diào)整刻度盤(pán)上的數(shù)值，直至相符為止。也可用儀器出廠(chǎng)時(shí)配備的折光玻璃來(lái)校正，具體方法一般在儀器說(shuō)明書(shū)中有詳細(xì)介紹。
阿貝折射儀使用完畢后，要注意保養(yǎng)。應(yīng)清潔儀器，如果光學(xué)零件表面有灰塵，可用高級(jí)鹿皮或脫脂棉輕擦后，再用洗耳球吹去。如有油污，可用脫脂棉蘸少許汽油輕擦后再用乙醚擦干凈。用畢后將儀器放入有干燥劑的箱內(nèi)，放置于干燥、空氣流通的室內(nèi)，防止儀器受潮。搬動(dòng)儀器時(shí)應(yīng)避免強(qiáng)烈振動(dòng)和撞擊，防止光學(xué)零件損傷而影響精度。