В данной работе определение показателя преломления производится по измерению предельного угла преломления на рефрактометре ИРФ-23.
Понятие предельного угла было введено Кеплером при изучении явления полного и внутреннего отражения. Если, например, свет идет из воды
1'
r 2'
3'
iпр
1 2 3
2"
Рис.3
в воздух (рис.3) или, вообще, из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то луч 1 частично отражается, частично выходит во вторую среду; луч 2 частично отражается и частично скользит вдоль поверхности раздела, угол 
, а луч 3 вообще не выходит в воздух. Угол падения 
для луча 2 был назван предельным. Значит, все лучи, для которых угол падения больше предельного, не выйдут в воздух, а претерпят полное внутреннее отражение.
Воспользуемся законом (1). Если 
, то для 
, 
= 90о.
(5)
Измерив предельный угол, и зная показатель преломления одной из сред, можно вычислить показатель преломления другой среды.
Используемый в работе рефрактометр ИРФ-23 позволяет определить показатель преломления вещества в интервале 
с точностью 10-4 и дисперсию с точностью 1,5·10 -5.
Основной частью прибора является измерительная прямоугольная призма (рис.4) с известным показателем преломления 
в широком интервале длин волн.
норм.
S n
α
норм.
Рис.4
Скользящий пучок света идет вдоль границы раздела среды и призмы с показателями преломления n и N соответственно. При угле падения света в среде i=90 o закон преломления запишется в виде
(6)
т. к. измерительная призма прямоугольная, то угол падения на вертикальную грань равен 90 o- α, а угол выхода луча в воздух, будет . Эти углы связаны законом преломления
(7)
|
|
комбинируя (6) и (7), получим формулу
(8)
Зная показатель преломления вещества призмы и, измерив угол выхода луча φ, можно найти показатель преломления жидких и твердых тел. Если пучок S содержит немонохроматический свет, за призмой будет спектр этого света. Угол φ в формуле (8) есть наименьший из всех возможных углов преломления лучей, вышедших через боковую грань призмы. Следовательно, если на пути этих лучей поставить зрительную трубу так, чтобы скользящий луч после призмы попадал в центр фокальной плоскости объектива, то нижняя часть поля зрения будет освещена, а верхняя останется темной. Граница света и тени определится лучом, выходящим под якобы предельным углом φ. Это положение зрительной трубы иллюстрирует рисунок 5.
Рис. 5
Основные части рефрактометра (рис. 6): измерительная призма 2, зрительная труба 1, отсчетное устройство 3, осветительная система 4. При исследовании жидких веществ на призму ставят цилиндрический стаканчик. Для твердых тел употребляют образец с отполированной гранью, которая устанавливается на призму. Между образцом и призмой для оптического контакта помещают каплю жидкости с показателем меньшим, чем у призмы, но большим чем у используемого образца. Расчетная формула при этом не меняется.
1 2 3 4
Рис. 6
5 6
Конструкция осветительной системы обеспечивает применение гейслеровых трубок, натровой и ртутной ламп.
Зрительная труба 1 - жестко связана с осью градусного лимба 3. Грубый поворот зрительной трубы (1) производится от руки при отжатом винте 6, а точная наводка и установка креста нитей на верхнюю границу спектральной линии осуществляется микрометрическим винтом 5. Зрительная труба снабжена автоколлимационным окуляром с косым крестом.
|
|
Отсчетное устройство для измерения углов поворота зрительной трубы состоит из лимба, микроскопа со спиральным окулярным микрометром, осветителя, укрепленного на кожухе лимба. Наводка витков спирали окулярного микрометра на штрихи лимба осуществляется маховиком, расположенным под окуляром отсчетного устройства. Отсчет углов на приборе производится так: в поле зрения микроскопа одновременно видны два-три горизонтальных градусных штриха, неподвижная вертикальная шкала десятых полей градуса с делениями от 0 до10, круговая шкала для отсчета сотых и тысячных долей градуса и десять двойных витков спирали (рис. 7). Для отсчета угла вращением маховичка подводят двойной виток спирали так, чтобы градусный штрих, расположенный в зоне двойных витков, оказался точно по середине между линиями витка. Число десятых долей градуса показывает цифра последнего пройденного штриха вертикальной шкалы.
Рис. 7
Сотые и тысячные доли градуса отсчитывают по круговой шкале с ценой деления 0.001. Десятитысячные доли оценивают на глаз. Так, например, на рис.6 отсчет соответствует значению угла 
Угол находят по формуле (8) как разность отсчетов положения спектральной линии φλ и так называемого ноль-пункта φо. Для определения ноль-пункта нужно с помощью винтов 6 (стопорного) и 5 (микровинта) (рис.5) установить зрительную трубу перпендикулярно боковой грани призмы, или совместить нити перекрестия трубы, видимые в окуляре, с отражением их гранью призмы. Расположить перекрестие симметрично изображению (рис. 8). Произвести отсчет.
|
|
Рис. 8