Измерение относительных показателей преломления.

 

Часто необходимо измерять не абсолютные значения показателей преломления, а их разности по отношению к какому-либо эталону.

Такие задачи встречаются при исследовании жидкостей и их можно решать с помощью рефрактометрических устройств, в которых свет преломляется в нескольких призмах.

Простейшей является двухпризменная система, которая представляет собой комбинацию двух смежных призм, образующих вместе плоскопараллельную пластинку. Методы с несколькими призмами эффективны, если разность показателей преломления веществ призм мала.

 

 

При этом отклонение лучей системой призм будет прямо пропорционально разности их показателей преломления, что значительно упрощает отчетное устройство при достаточно высокой их чувствительности и точности. Определения угла отклонения в таких устройствах сводится к геометрическим измерениям смещений изображений щели коллиматора, которые получают в фокальной плоскости выходного объектива (рис.8.3.).

 

 

3.4. Методы предельного угла.

 

Эти методы основаны на использовании явления полного внутреннего отражения, возникающего в тех случаях, когда лучи света идут из среды более плотной в менее полную (рис. 8.4.а).

 

 

 

 

Преломленные лучи, соответствующие скользящим (II), называются предельными, а соответствующий им угол преломления – предельным.

 

Получим выражение, связывающее величину преломленного угла с показателями преломления системы двух призм (рис. 8.4.б).

 

 

Таким образом для определения n₀ необходимо и достаточно измерить лишь один параметр – угол , т.к. и являются константами прибора.

В рефрактометрах типа Пульфриха свет от источника линейного спектра с помощью осветительной системы направляется вдоль горизонтальной грани измерительной призмы. На эту грань устанавливается образец, имеющий две плоские взаимоперпендикулярные грани с точностью до . Оптический контакт между образом и призмой обеспечивается тонким слоем жидкости с показателем преломления (рис. 8.5.).

 

 

Граница светотени рассматривается через зрительную трубу, которая поворачивается относительно измерительной призмы. Величина предельного угла отсчитывается по лимбу, жестко связанному со зрительной трубой. Для контроля правильности установки призмы и получения нулевого отсчета зрительная труба перестраивается в автоколлиматор.

Для исследования показателей преломления жидкостей к поверхности измерительной призмы приклеивается кювета, в которую наливают исследуемую жидкость (рис 8.6.)

 

 

Рефрактометры типа Пульфриха используются также для измерения показателей преломления порошков и анизотропных кристаллов, которые помещаются на измерительную призму.

Для удобства измерения показателя преломления анизотропного кристалла эталонная среда изготавливается в виде полусферы.

Рефрактометры типа Аббе используются для измерения показателя преломления жидкости.

Прибор имеет измерительную призму, сделанную из тяжелого флинта и имеющую величину преломления угла около 60^о. Сорт стекла и углы осветительной призмы значения не имеют. Осветительная призма связана с шарниром и может отводится от измерительной (рис. 8.7.).

Капля исследуемой жидкости помещается на гипотенузную грань измерительной призмы и прижимается осветительной призмой так, чтобы между призмами остался тонкий слой жидкости. Свет от источника проходит сквозь осветительную призму и, поступая в жидкость, преломления на рабочей грани измерительной призмы и на грани, граничащей с воздухом, и попадает в зрительную трубу.

При рассмотренном способе освещения невозможно получить строго скользящие вдоль входной грани измерительной призмы пучки. Однако поскольку слой жидкости очень тонок, то с достаточной точностью можно считать, что в области границы светотени получаются предельные лучи. Гипотенузная грань осветительной призмы обычно матируется. Это необходимо для того, чтобы при наблюдении границы света и тени в поле зрения не попадали предметы, находящиеся вблизи источника.

В рефрактометре Аббе обычно имеется компенсатор дисперсии, позволяющий использовать для измерений белый свет. Компенсатор дисперсии состоит из двух призм прямого видения (призм Амичи). Призмы подобраны так, что желтые лучи проходят сквозь систему без измерения направления. Свет больших длин волн отклоняется в одну сторону, а меньших – в противоположную по отношению к желтым лучам (рис 8.8.).

 

 

Призмы поворачивается относительно оси в противоположные стороны. Суммарная угловая дисперсия изменяется, т.к. состоит из дисперсии обеих призм. Она будет пробегать все значения в интервале от максимальной положительной величины до соответствующей отрицательной. При полной компенсации граница светотени становится бесцветной и ее положение совпадает с положением границы, образованной желтым светом.

 

Иммерсионные методы.

 

Иммерсионные методы основаны на использовании явления исчезновения видимых контуров стекла, погруженного в жидкость. Это происходит на той длине волны монохроматического излучения, для которой показатели преломления жидкости и стекла одинаковы.

Иммерсионные методы не требуют специального изготовленных образцов и позволяют измерять показатель преломления небольших осколков стекла (рис. 8.9.).

 

 

Эталоном служит пластина, показатель преломления которой близок к показателю преломления исследуемого образца. Показатель преломления иммерсионной жидкости приблизительно равен показателю преломления испытуемого стекла.

Дисперсия жидкости всегда больше дисперсии обычных стекол. Поэтому, если кривые дисперсии эталона и образца достаточно близки друг к другу, то всегда можно подобрать такую иммерсионную жидкость, что кривая дисперсии жидкости будет пересекать обе кривые эталона и образца в видимой области спектра, а пересечение кривых жидкости и образца произойдет вблизи заданной длины волны (рис. 8.10.).

 

 

Если для какой-либо длины волны показатель преломления жидкости и эталона одинаковы, то для лучей этой длины волны жидкости и эталон представляют собой оптически однородную среду. Аналогичная картина наблюдается для образца на длине волны - контуры стекла ''исчезают''.

Кривые дисперсии жидкости и эталона должны быть определены заранее одним из известных способов.

Собственно процесс измерения сводится к определению момента ''исчезновения'' образца в иммерсионной жидкости при изменении длины излучения, прошедшего через монохраматор. По известной дисперсии жидкости определяет показатель преломления образца на длине волны . На длине волны производят ''исчезновения'' дисперсии жидкости к дисперсии эталона, которая обладает значительно большой стабильностью.