阿贝折光仪与溶液折射率的测定
阿贝折光仪可测量液体物质的折射率,能定量地分析溶液的组成及检验物质的纯度。折射率与物质内部的电子运动状态有关,所以分子偶极矩的测定等物质结构方面的实验需要测定其折射率。阿贝折光仪测量物质的折射率有许多优点:测定方法简单,无需特殊光源,日光或普通白光即可;棱镜有夹层,可通恒温水流以恒温,并由夹套中的温度计指示温度值;测量精度高,试样用量少;操作方便,读数准确。
1.折射率测定的基本原理
光从一种介质进入另一种介质时,由于两种介质的光学性质不同,会改变原来的传播方向,这种现象称为光的折射,如图1所示。
图1 光的折射 阿贝折光仪光路图
1. 液面;2 辅助棱镜;3 基本棱镜;4 反射镜
折射现象的基本规律可用折射定律来描述:折射光线和入射光线分居于法线的两侧,并且处于同一平面中,入射角的正弦与折射角的正弦的比值,对于给定的两种介质来说,总是一个常数。其关系式为:

其中nα,β是一个常数,此常数称为光线从第一种介质射入第二种介质时的折射率。折射率与波长、温度有关,因此在其右下角注以字母,表示测定时所用单色光的波长,D、F、G、C分别表示钠的D(黄)线,氢的F(蓝)线,G(紫)线,C(红)线等;在n右上角注以测定时介质温度(摄氏温标)。 如 表示20℃(293K)时介质对钠光D线的折射率。
光束从光密介质(如玻璃)进入光疏介质(如空气)时,入射角小于折射角,入射角增大时折射角也增大,但折射角不能无限增大,只能增加到β=90o。这时入射角称为临界角。因此,只有入射角小于临界角的入射光才能进入光疏介质中。反之,若一束光线由光疏介质进入光密介质时(图1),入射角大于折射角。当入射α>90o时,折射角为β0,故任何方向的入射光都可进入光密介质中,其折射角β<β0。
折射计是根据临界折射现象设计的。其光路图如图Ⅶ-2所示。镜箱由两个折射率为1.75的玻璃直角棱镜构成,上部为基本棱镜,下部为辅助棱镜。从反射镜反射来的入射光进入棱镜2。此棱镜的A′D′面为一毛玻璃,入射光在毛玻璃面上发生漫散射,并从各个方向通过置于缝隙的液层面而达到棱镜3的AD面。根据折射定律,当光由光疏介质(待测液体)折射进入光密介质(棱镜3)时,折射角小于入射角;如果入射光正好沿着AD面射入,即入射角α=90o,折射角为β0。因β0为临界角,再没有比β0更大的折射角。可见,对AD镜面上任一点来说,当光在0~90o范围内入射时,折射光都应该落在临界角β0内成为亮区,其它为暗区,构成明显的分界线。由式Ⅶ-1
显然,若已知棱镜的折射率nβ,测定临界角β0,就能求出液体的折射率nα。不同液体的临界角不一样,所以液体的折射率nα是临界角β0的函数。由于直接测量β0值很不方便,当折射光从棱镜出来进入空气又产生折射(折射角为θ),所以实际上测量θ值。nα与θ间有以下关系:
式中:δ为常数;N为棱镜的折射率约为1.75,故知θ即可求出nα。阿贝折光仪读出的数值即为折射率n,不用再进行计算。阿贝折光仪的外形如图所示。
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