液体折射率的测定

3—8 液体折射率的测定

折射率是物质的一种重要光学常数。在生产和科学研究的许多部门中都会遇到折射率的测量问题。物质的折射率和光的波长有关，平时所说的折射率是指对钠黄光（nm 3.589=λ）的折射率。本实验要求掌握液体折射率的测量方法；了解用掠入法测定折射率的原理；了解阿贝折射计的工作原理，并掌握其使用方法。

一、[仪器及用具]

阿贝折射计、蒸馏水、酒精、光源（钠光灯）

二、[实验原理]

当把折射率为n 的待测物质放在已知折射率为N 的直角棱镜的折射面AB 上，且N n <。若以单色的扩展光源照射分界面AB 时，则从图3—8—1可以看出，入射角为2π的光线，将掠射到AB 界面而折射进入三棱镜内。显然，其折射角i '应为临界角，因而满足下面的关系式：

N

n i =

'sin （3-8-1） 当光线1射到AC 面时，再经过折射而进入空气，设在AC 面上的入射角为ψ，折射角为ϕ，则有： ψϕsin sin N = （3-8-2）

除光线1外，其他光线例如光线2在AB 面上的入射角均小于2π。因此，经三棱镜折射最后进入空气时，都在光线1的左侧。当用望远镜对准出射光方向观察时，视场中将看到以光线1为分界线的半暗半明视场，如图3—8—1所示。

由图3—8—1可以看出三棱镜的棱镜角A （当i A '>时）与角i '及角ψ有如下关系：

ψ+'=i A （3-8-3）

应用上式，并从（3-8-1）和（3-8-2）两式中消去i '和ψ后可得：

ϕϕsin cos sin sin 22A N A n --= （3-8-4）

图3—8—1

2 ′

如果棱镜角0

90=A ，则： ϕ22sin -=N n

因此，当直角棱镜的折射率N 为已知时，测出ϕ角即可算出待测物质的折射率n 。上述测定折射率的方法称为掠入法。

应用阿贝折射计测定透明液体或固体的折射率的方法，就是应用掠入法，它是基于全反射的原理。在阿贝折射计中所用棱镜的棱镜角

45=A ，当被测物质为液体时，用一斜面为磨砂面的进光棱镜（也是 45棱镜）A ′B ′C ′作为辅助棱镜。将待测液体放置在进光棱镜A ′B ′C ′和折射棱镜ABC 之间，如图3—8—2所示。进光棱镜的磨砂面主要是产生漫反射，以便使液体膜内有各种不同角度的入射光。

图3—8—2(a)是透射式测量光路，将折射率为n 的待测物质放在折射率为1n 的直角棱镜的斜面上，其棱角为A ，并用光源S 照明之。如果介质的折射率1n n <，则与图8—1相同，经棱镜ABC 两次折射后，由AC 面射出的光束，在望远镜视场中将观察到半明半暗的视场，明暗分界线就对应于掠射面入射光束，测出AC 面上相应的临界出射角ϕ，即可应用公式（3-8-4）计算。

应用阿贝折射计测定固体折射率时，不用照明棱镜。对于加工有两个抛光面的固体样品，测量光路可采用如图3—8—2（b ）所示的透射式测量，对于加工只有一个抛光面的固体样品，则可采用图3—8—2（c ）所示的反射式测量。

阿贝折射计是用望远镜观察和进行角度测量的一种直读式仪器。仪器中直接刻有与ϕ角对应的折射率值，因此，在测量时不需要进行任何计算，能直接读出待测物质的折射率值。国产的W AY 型阿贝折射计的测量范围是700.1~300.1，精确度为0003.0。

阿贝折射计的光学系统由两部分组成：望远系统与读数系统（如图3—8—3所示） 望远镜系统：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。当光线射入进光棱镜时，其磨砂面上产生漫反射，使被测液体层上有各种不同角度的入射光，经过折射棱镜产生一束出射光。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（Amice ）棱镜组成，其作用是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）将出射光形成的明暗分界线成像于分划板（7）

上，分划板上有十字叉丝，通过目镜（8）能看到如图所示的上半

部分图象。

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）将刻度板上的不同折

射率示值成像于分划板（7）上。通过目镜就可看到如图所示的下

半部分图象。注意：视场里的刻度标尺上有两行刻度，下行为直

读折射率的数值，上行为百分浓度，作为测定糖溶液浓度的专用

（a ） S

（b ）

图3—8—2 1.43 1.44

标尺。

图3—8—3

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.读书物镜10.反光镜11.刻度板12.聚光镜

图3—8—4

国产W AY型阿贝折射计的外型如图3—8—4所示。除棱镜和目镜以外全部光学组件及主要结构封闭于壳体内部。棱镜组固定于壳体上，由进光棱镜、折射棱镜、棱镜座等结构构成，两只棱镜分别用特种粘合剂固定在棱镜座内。两棱镜座（5）、（11）由转轴（2）连接。上面的进光棱镜为辅助照明棱镜，斜面为磨砂；下面的折射棱镜，斜面十分光滑。进光棱镜

能打开和关闭，当两棱镜座密合并用手轮（10）锁紧时，二棱镜面之间保持一均匀间隙，液体应充满此间隙。

三、[实验内容与步骤]

（一）液体折射率的测量

1．用酒精棉清洗棱镜面后，滴上蒸馏水校正仪器。

转动棱镜锁紧手柄（10）打开棱镜，用脱脂棉沾一些无水酒精将棱镜面轻轻地擦干净。在折射棱镜的抛光面上滴上一、二滴蒸馏水，旋紧棱镜锁紧手柄，使液膜均匀、无气泡，并充满视场。

2．调节遮光板（3）和刻度盘聚光镜（12），使目镜筒内视场明亮。

3．白光下消除色散，钠光灯下校正仪器。

旋转折射率刻度调节手轮（15）使刻度盘读数为 1.3330，这时在望远镜视场中可观察到明暗分界线上下移动。在白光下观察明暗分界线处的色散现象，旋转色散调节手轮（6），使视场中除黑白二色外无其它颜色。将阿贝折射仪拿到钠光灯下，用螺丝刀微量旋转小孔

（16）内的螺丝，使明暗分界线对准十字叉丝中心。此时仪器已校正完毕。

4. 用酒精棉再次清理棱镜面，滴上待测液体，测量其折射率。

滴待测液体时同样要使液膜均匀、无气泡、充满视场；白光下观察明暗分界线处的色散，并消除；钠光灯下旋转折射率刻度调节手轮，使明暗分界线位于十字叉丝中心，此时刻度盘上对应的数值即为待测液体的折射率。例如图3—8—6所示，折射率为1.4329。

（二）固体折射率的测定（选作）

自行设计实验步骤，测定玻璃样品的折射率。

四、[注意事项]

1．测量工作开始前，注意做好棱镜面的清洁工作，以免在工作面上残留其它物质而影响测量精度。

2．必须对阿贝折射计进行读数校正。

通常，最简便的方法是用蒸馏水来校正，因蒸馏水在一定温度(20℃)和一定光源(钠光589.3nm)照射下，它的折射率为已知值，3330.1=水n 。为此，只要滴几滴蒸馏水到折射棱镜面上，调节并读取其折射率数值，如不相符，可微动仪器上的校正螺旋，使之完全相同．这样，阿贝折射计的读数就得到校正．

如使用仪器中的标准玻璃块（5172.1=D n ）进行校正，则应根据测定固体折射率的方法，在标准玻璃块与折射棱镜之间滴入高折射率的接触液，按上述方法进行校正。

3. 任何物质的折射率都与测量时使用的光波波长和温度有关，本仪器在消除色散的情况下测得的折射率，其对应光波的波长3.589=λnm 。

如需要测量不同温度时的折射率，可将阿贝折射计与恒温、测温装置连用，待棱镜组和待测物质达到所需温度后，方能进行测量。一般均在室温下进行。

思考题：

1．怎样应用掠入射法测定玻璃棱镜的折射率？简要说明实验方法，并推导出折射率的计算公式。

2．用阿贝折射计测量固体折射率时，为什么要滴人高折射率的接触液？为什么它对测量结果没有影响?试论证之。

3．掠入法测定液体折射率的理论依据是什么？具体计算公式是什么？

4．掠入法为什么要用辅助棱镜？它起什么作用？

5．掠入法对光源有什么具体要求？为什么？

6．望远镜中明暗分界线的半阴视场是如何形成的？如何才能既快有清晰地在望远镜中寻见半阴视场？