阿貝折射儀使用說(shuō)明(

1、阿貝折射儀1.阿貝折射儀的用途阿貝折射儀是可直接用來(lái)測(cè)量液體的折射率，定量地分析溶液的成分，建言液體的純度。阿貝折射儀是測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的重要儀器，因?yàn)檎凵渎逝c物質(zhì)內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，所以測(cè)定折射率在結(jié)構(gòu)化學(xué)方面也是很重要的，比如求算物質(zhì)摩爾折射率、摩爾質(zhì)量、密度、極性分子的偶極距等都需要折射率的數(shù)據(jù)。阿貝折射儀測(cè)定折射率時(shí)有許多優(yōu)點(diǎn)：所需用的樣品很少，數(shù)滴液體即可進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量精度高（折射率精確到1×10-4），重現(xiàn)性好；測(cè)定方法簡(jiǎn)便，無(wú)需特殊光源設(shè)備，普通日光或其他日光即可；棱鏡有夾層，可通恒溫水流，保持所需的制定溫度。它是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和科研工作中較常用的一種光學(xué)儀器。近年來(lái)，

2、隨著技術(shù)的發(fā)展，該儀器也在不斷地更新。2.儀器描述 阿貝折射儀的光學(xué)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)系統(tǒng)和讀數(shù)系統(tǒng)組成，如圖1所示。望遠(yuǎn)系統(tǒng)。光線進(jìn)入進(jìn)光棱鏡1與折射棱鏡2之間有一微小均勻的間隙，被測(cè)液體就放在此空隙內(nèi)。當(dāng)光線（太陽(yáng)光或日光燈）射入進(jìn)光棱鏡1時(shí)便在磨砂面上產(chǎn)生漫反射，使被測(cè)液層內(nèi)有各種不同角度的入射光，經(jīng)折射棱鏡2產(chǎn)生一束折射角均大于出射角度i的光線。由擺動(dòng)反射鏡3將此束光線射入消色散棱鏡組4，此消色散棱鏡組是由一對(duì)等色散阿米西棱鏡組成，其作用是可獲得一可變色散來(lái)抵消由于折射棱鏡對(duì)不同被測(cè)物體所產(chǎn)生的色散。再由望遠(yuǎn)鏡5將此明暗分界線成像于分劃板 7上，分劃板上有十字分劃線，通過(guò)目鏡8能看到如圖2上部

3、分所示的象。讀數(shù)系統(tǒng)。光線經(jīng)聚光鏡12照明刻度板11（刻度板與擺動(dòng)反射鏡3連成一體同時(shí)繞刻度中心作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。通過(guò)反射鏡10，讀數(shù)物鏡9，平行棱鏡6將刻度板上不同部位折射率示值成象于分劃板7上(見(jiàn)圖2)圖1 望遠(yuǎn)系統(tǒng)讀數(shù)系統(tǒng)光路圖1.進(jìn)光棱鏡 2.折射棱鏡3.擺動(dòng)反光鏡4.消色散棱鏡組5.望遠(yuǎn)物鏡組6.平行棱鏡7.分劃板8.目鏡9.讀數(shù)物鏡10反光鏡11.刻度盤12.聚光鏡圖 1 讀數(shù)鏡視場(chǎng)中右邊為液體折射率刻度，左邊為蔗糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（錘度Brix）（0-95，刻度）阿貝折射儀儀器有目前有多種設(shè)計(jì)方式，這里只介紹兩種設(shè)計(jì)的構(gòu)造。其一如下： 圖3儀器結(jié)構(gòu)圖1反射鏡2棱鏡座連接轉(zhuǎn)軸3遮光板5進(jìn)光

4、棱座6色散調(diào)節(jié)手輪7色散值刻度圈8目鏡9蓋板10鎖緊手輪11折射標(biāo)棱鏡座12照明刻度聚光鏡13溫度計(jì)座14底座15折射率刻度手輪17殼體18恒溫器接頭其二如下：圖4 儀器結(jié)構(gòu)三、光學(xué)原理阿貝折射儀是藥物鑒定中常用的分析儀器，主要用于測(cè)定透明液體的折射率。折射率是物質(zhì)的重要光學(xué)常數(shù)之一，可借以了解該物質(zhì)的光學(xué)性能、純度和濃度等。當(dāng)光從一種媒質(zhì)進(jìn)入到另一種媒質(zhì)時(shí)，在兩種媒質(zhì)的分界面上，會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，如圖5所示。在折射現(xiàn)象中有：n1sin1 =n2sin2顯然，若n1>n2，則1<2。其中絕對(duì)折射率較大的媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，較小的稱為光疏媒質(zhì)。當(dāng)光線從光密媒質(zhì)n1進(jìn)入光疏媒質(zhì)n2時(shí)

5、，折射角2恒大于入射角1，且2隨1的增大而增大，當(dāng)入射角1增大到某一數(shù)值0而使2=900時(shí)，則發(fā)生全反射現(xiàn)象。入射角0稱為臨界角。圖5 光在兩種媒質(zhì)界面上的反射和折射現(xiàn)象 圖6 阿貝折射儀原理圖阿貝折射儀就是根據(jù)全反射原理而制成的。其主要部分是由一直角進(jìn)光棱鏡ABC和另一直角折光棱鏡DEF組成，在兩棱鏡間放入待測(cè)液體，如圖6 a所示。進(jìn)光棱鏡的一個(gè)表面AB為磨砂面，從反光鏡M射入進(jìn)光棱鏡的光照亮了整個(gè)磨砂面，由于磨砂面的漫反射，使液層內(nèi)有各種不同方向的入射光。假設(shè)入射光為單色光，圖中入射光線AO（入射點(diǎn)O實(shí)際是在靠近E點(diǎn)處）的入射角為最大，由于液層很薄，這個(gè)最大入射角非常接近直角。設(shè)待測(cè)液體的

6、折射率n2小于折光棱鏡的折射率n1，則在待測(cè)液體與折光棱鏡界面上入射光線AO和法線的夾角近似90o，而折射光線OR和法線的夾角為0，由光路的可逆性可知，此折射角0即為臨界角。根據(jù)折射定律： （8.1） （8.2）可見(jiàn)臨界角0的大小取決于待測(cè)液體的折射率n2及折光棱鏡的折射率n1。當(dāng)OR光線射出折射棱鏡進(jìn)入空氣（其折射率n=1）時(shí)，又要發(fā)生一次折射，設(shè)此時(shí)的入射角為，折射角為（或稱出射角），則根據(jù)折射定律得 （8.3）根據(jù)三角形的外角等于不相鄰兩內(nèi)角之和的幾何原理，由ORE，得 （8.4） 將式8.2、8.3、8.4聯(lián)立，解得 （8.5）式中棱鏡的棱角和折射率n1均為定值，因此用阿貝折射儀測(cè)出角

7、后，就可算出液體的折射率n2。在所有入射到折射棱鏡DE面的入射光線中，光線AO的入射角等于90o已經(jīng)達(dá)到了最大的極限值，因此其出射角也是出射光線的極限值，凡入射光線的入射角小于90o，在折射棱鏡中的折射角必小于0，從而其出射角也必小于。由此可見(jiàn)，以RT為分界線，在RT的右側(cè)可以有出射光線，在RT的左側(cè)不可能有出射光線，見(jiàn)圖6a。必須指出圖6a所示的只是棱鏡的一個(gè)縱截面，若考慮折射棱鏡整體，光線在整個(gè)折射棱鏡中傳播的情況，就會(huì)出現(xiàn)如圖6b所示的明暗分界面RRTT。在RRTT面的右側(cè)有光，在RRTT面的左側(cè)無(wú)光，這分界面與棱鏡頂面的法線成角，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡角后，使明暗分界面通過(guò)望遠(yuǎn)鏡中十字線的交點(diǎn)，這

8、時(shí)從望遠(yuǎn)鏡中可看到半明半暗的視場(chǎng)，如圖6c所示。因在阿貝折射儀中直接刻出了與角所對(duì)應(yīng)的折射率，所以使用時(shí)可從儀器上直接讀數(shù)而無(wú)需計(jì)算，阿貝折射儀對(duì)折射率的測(cè)量范圍是1.3000至1.7000。阿貝折射儀是用白光（日光或普通燈光）作為光源，而白光是連續(xù)光譜，由于液體的折射率與波長(zhǎng)有關(guān)，對(duì)于不同波長(zhǎng)的光線，有不同的折射率，因而不同波長(zhǎng)的入射光線，其臨界角0和出射角也各不相同。所以，用白光照射時(shí)就不能觀察到明暗半影，而將呈現(xiàn)一段五彩繽紛的彩色區(qū)域，也就無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)量液體的折射率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在阿貝折射儀的望遠(yuǎn)鏡筒中裝有阿米西棱鏡，又稱光補(bǔ)償器。測(cè)量時(shí)，旋轉(zhuǎn)阿米西棱鏡手輪使色散為零，各種波長(zhǎng)的光

9、的極限方向都與鈉黃光的極限方向重合，視場(chǎng)仍呈現(xiàn)出半邊黑色、半邊白色，黑白的分界線就是鈉黃光的極限方向。另外，光補(bǔ)償器還附有色散值刻度圈，讀出其讀數(shù)，利用儀器附帶的卡片，還可以求出待測(cè)物的色散率。四、阿貝折射儀的使用1.儀器安裝將阿貝折射儀放在靠近窗戶的桌子上（注意避免日光直接照射），或置于普通白熾燈前，在棱鏡外套上裝好溫度計(jì)，將超級(jí)恒溫水浴之恒溫水通過(guò)棱鏡的夾套中。恒溫水溫度以折射儀是溫度計(jì)指示值為準(zhǔn)。恒溫在（20±0.2）。2.校準(zhǔn)儀器儀器在測(cè)量前，先要進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)可用蒸餾水()或標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊進(jìn)行（標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊標(biāo)有折射率）（1）用蒸餾水校準(zhǔn)1將棱鏡鎖緊板手松開，將棱鏡擦干凈（注意：

10、用無(wú)水酒精或其他易揮發(fā)溶劑，用鏡頭紙擦干）。2用滴管將23滴蒸餾水滴入兩棱鏡中間，合上并鎖緊。3調(diào)節(jié)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使折射率讀數(shù)恰為1.3330。4從測(cè)量鏡筒中觀察黑白分界線是否與叉絲交點(diǎn)重合。若不重合，則調(diào)節(jié)刻度調(diào)節(jié)螺絲，使叉絲交點(diǎn)準(zhǔn)確地和分界線重合。若視場(chǎng)出現(xiàn)色散，可調(diào)節(jié)微調(diào)手輪至色散消失。（2）用標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊校準(zhǔn) 1松開棱鏡鎖緊扳手，將進(jìn)光棱鏡拉開。 2在玻璃塊的拋光底面上滴溴化萘（高折射率液體），把它貼在折光棱鏡的面上，玻璃塊的拋光側(cè)面應(yīng)向上，以接受光線，使測(cè)量鏡筒視場(chǎng)明亮。3調(diào)節(jié)大調(diào)手輪，使折射率讀數(shù)恰為標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊已知的折射率值。4從測(cè)量鏡筒中觀察。若分界線不與叉絲交點(diǎn)重合，則調(diào)節(jié)螺絲使

11、它們重合。若有色散，則調(diào)節(jié)微調(diào)手輪消除色散。圖7 標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊3.樣品測(cè)定（1）測(cè)定液體的折射率若待測(cè)物為透明濃體，一般用透射光即掠入射方法來(lái)測(cè)量其折射率nx。方法如下：滴23滴待測(cè)液體在進(jìn)光棱鏡的磨砂面上，并鎖緊。（若溶液易揮發(fā)，須在棱鏡組側(cè)面的一個(gè)小孔內(nèi)加以補(bǔ)充）；旋轉(zhuǎn)大調(diào)手輪，在測(cè)量鏡筒中將觀察到黑白分界線在上下移動(dòng)（若有彩色，則轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪消除色散，使分界線黑白分明），至視場(chǎng)中黑白分界線與叉絲交點(diǎn)重合為止；在讀數(shù)鏡筒中，讀出分劃板中橫線在右邊刻度所指示的數(shù)據(jù)，即為待測(cè)液體的折射率nx,并記錄；重復(fù)測(cè)量三次，求折射率的平均值。阿貝折射儀中的阿貝棱鏡組由兩個(gè)直角角棱鏡(折射串率為n)組成，一

12、個(gè)是進(jìn)光棱鏡，它的弦面是磨砂的，其作用是形成均勻的擴(kuò)展面光源。另一個(gè)是折射棱鏡。待測(cè)液體(nxn)夾在兩棱鏡的弦面之間，形成薄膜。如圖8所示。 圖 8光先射入進(jìn)光棱鏡，由其磨砂弦面AB產(chǎn)生漫射光穿過(guò)液層進(jìn)入折射棱鏡(圖中ABC)。因此到達(dá)液體和折射棱鏡的接觸面(AB面)上任意一點(diǎn)E的諸光線(如1，2，3等)具有各種不同的入射角，最大的入射角是90度。，這種方向的入射稱為掠入射。對(duì)不同方向入射光中的某條光線，設(shè)它以入射角i射向AB面，經(jīng)棱鏡兩次折射后，從AC面以角出射，若nx<n，則由折射定律得 (8.6) (8.7)其中為AB面上的折射角，為AC面上的入射角。由圖8得棱鏡頂角A與角及角的

13、關(guān)系為 則： 代入(8.6)式得： (8.8)由（8.7）即：則代入（8.8）得： (8.9)從圖8可以看出，對(duì)于光線“1”，有i90，sini1，則上式變?yōu)?(8.10)因此，若折射棱鏡的折射率n、折射頂角已知，只要測(cè)出出射角即可求出待測(cè)液體的折射率nx。若A=-,這時(shí)出射光線與頂角A在AC面法線的同側(cè)，上式變?yōu)?(8.11)阿貝折射儀是如何測(cè)量與光線“1”相對(duì)應(yīng)的出射角呢?由圖4可知。除光線“1”外，其它光線“2”、“3”等在AB面上的入射角皆小于90度。因此當(dāng)擴(kuò)展光源的光線從各個(gè)方向射向AB面時(shí)，凡入射角小于90度的光線，經(jīng)棱鏡折射后的出射角必大于角而偏折于“1”的左側(cè)形成亮視場(chǎng)。而“1

14、”的另一測(cè)因無(wú)光線而形成暗場(chǎng)。顯然，明暗視場(chǎng)的分界線就是掠入射光束“1”的出射方向(“1”)。 阿貝折射鏡標(biāo)出了與角對(duì)應(yīng)的折射率值，測(cè)量時(shí)只要使明暗分界線與望遠(yuǎn)鏡叉絲交點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，就可從視場(chǎng)中折射率刻度讀出nx值。（2）測(cè)定固體的折射率若待測(cè)固體有兩個(gè)互成90度角的拋光面，則可用透射光測(cè)定其折射率，如圖9所示，在待測(cè)固體和折射棱鏡AB面上滴一滴接觸液（其折射率為n2，要求n2nx），一般用折射率較高的溴代苯），擴(kuò)展光源發(fā)出的光直接進(jìn)入待測(cè)固體（不用進(jìn)入光棱鏡），經(jīng)過(guò)接觸液進(jìn)入折射棱鏡，其中一部分光線在通過(guò)待測(cè)固體時(shí)，傳播方向平行于固體與接觸液的交界面。當(dāng)nx<n2、nx<n時(shí)，同理，由

15、折射定律和幾何關(guān)系可得待測(cè)固體折射率為 (8.12)當(dāng)出射光線與頂角A分居于AC面法線兩側(cè)時(shí)，公式取“”號(hào)，反之，若在同側(cè)時(shí)，公式取“”號(hào)。由于折射棱鏡的n和A均已知，只要測(cè)出光線掠入射經(jīng)過(guò)待測(cè)固體時(shí)，由棱鏡AC面上出射極限角，由上式即可算出待測(cè)固體的折射率。用阿貝折射儀測(cè)量時(shí)，只要明暗分界線與望遠(yuǎn)鏡叉絲交點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，就可直接讀出nx值。接觸液的存在并不影響nx的測(cè)量，但只要求折射率n2>nx。接觸液的作用是使得待測(cè)樣品面和折射棱鏡面形成良好的光學(xué)接觸，沒(méi)有空隙且有粘附性。此外，用反射光測(cè)定折射率的原理如圖10所示，光由折射棱鏡的磨砂面BC進(jìn)入，此時(shí)BC面就成為一個(gè)擴(kuò)展面光源，到達(dá)AB面（與

16、待測(cè)物質(zhì)的接觸面）上任意一點(diǎn)的諸光線具有不同的入射角，凡入射角大于臨界角者，皆全反射，再經(jīng)AC面射出，用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)角方向，同樣觀察到明暗視場(chǎng)，但明暗差別不如透射光，而且明暗相對(duì)透射法測(cè)量顛倒。用反射光測(cè)量固體的折射率時(shí)，只需一個(gè)拋光面 圖 9 圖 10 任何物質(zhì)的折射率都與測(cè)量時(shí)使用的光波的波長(zhǎng)有關(guān)。阿貝折射儀因此有光補(bǔ)償裝置（阿米西棱鏡組），所以測(cè)量時(shí)可用白光光源，且測(cè)量結(jié)果相當(dāng)于對(duì)鈉黃光（589.3nm）的折射率（即nD）。另外，液體的折射率還與溫度有關(guān)，因此若儀器接上恒溫器，則可測(cè)定溫度為0-50內(nèi)的折射率即nD。五、注意事項(xiàng)1.使用儀器前應(yīng)先檢查進(jìn)光棱鏡的磨砂面、折射棱鏡及標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊的

17、光學(xué)面是否干凈，如有污跡用擦鏡紙擦拭干凈。2.用標(biāo)準(zhǔn)塊校準(zhǔn)儀器讀數(shù)時(shí)，所用折射率液不宜太多，使折射率液均勻布滿接觸面即可。過(guò)多的折射率液易堆積于標(biāo)準(zhǔn)塊的棱尖處，既影響明暗分界線的清晰度，又容易造成標(biāo)準(zhǔn)塊從折射棱鏡上掉落而損壞。3.在加入的折射率液或待測(cè)液中，應(yīng)防止留有氣泡，以免影響測(cè)量結(jié)果。4.讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先沿正方向旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)手輪（如向前），調(diào)節(jié)到位后，記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。然后繼續(xù)沿正方向旋轉(zhuǎn)一小段后，再沿反方向（向后）旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，調(diào)節(jié)到位后，又記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。取兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均值為一次測(cè)量值。5.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注意愛(ài)護(hù)光學(xué)器件，不允許用手觸摸光學(xué)器件的光學(xué)面，避免劇烈振動(dòng)和碰撞。6.儀器使用完畢后，要將棱鏡表面及標(biāo)準(zhǔn)塊擦拭干凈，目鏡套上鏡頭保護(hù)紙，放入盒內(nèi)。六、維護(hù)與保養(yǎng)1.儀器應(yīng)放在干燥，空氣流通和溫度適宜的地方，以免儀器的光學(xué)零件受潮發(fā)霉。2.儀器使用前后及更換樣品時(shí)，必須先清洗揩凈折射棱鏡系統(tǒng)的工作表面。3.被測(cè)試樣品不