Устройство рефрактометра Аббе

Оптическая схема рефрактометра Аббе представлена на рис. 6 и 7. Основной частью являются две стеклянные прямоугольные призмы Р₁ и Р₂, изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости (исследование твердых веществ требует дополнительных приспособлений). Измерения на рефрактометре могут производиться по двум методам: скользящего луча (методу предельного угла преломления) и полного внутреннего отражения.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис.6.

Свет проникает в призму P₁ через грань fb и попадает в жидкость через матовую грань ab. Свет, рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0° < i < 90°) попадает на сторону cd призмы Р₂.

Скользящему лучу в жидкости (i = 90°) соответствует предельный угол преломления i_пред Преломленные лучи с углами, большими i_пред, в призме не возникают.

Е сли свет, выходящий из грани cd, пропустить через собирающую линзу Л₁ то в ее фокальной плоскости будет наблюдаться резкая граница света и тени. Граница рассматривается с помощью линзы Л₂. Линзы Л₁ и Л₂ образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости установлено перекрестие из тонких нитей. Положение границы в фокальной плоскости зависит от показателя преломления жидкости. Поворачивая трубу относительно оси, проходящей через слой жидкости и перпендикулярной рисунку, можно совместить границу света и тени с центром перекрестия. При этом измерение показателя преломления жидкости сводится к измерению угла, образованного нормалью к грани cd и оптической осью зрительной трубы. В современных приборах труба укрепляется неподвижно, а поворачивается оправа с призмами. С оправой соединена подсвечиваемая шкала, которая градуируется непосредственно в значениях показателя преломления.

При измерении показателя преломления жидкости методом полного отражения призму P₂ освещают со стороны грани ed (рис.7), которая делается матовой. Свет в этом случае попадает на границу раздела cd под всевозможными углами. При i < i_пред свет отражается лишь частично, В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полутени.

Так как условия, определяющие величину предельного угла в методе скользящего луча и в методе полного внутреннего отражения, совпадают, положение линии раздела в обоих случаях также оказывается одинаковым.

Изложенная теория рефрактометра Аббе, строго говоря, справедлива лишь в том случае, когда свет является монохроматическим. Дисперсия показателей преломления исследуемого вещества и стекла призм приводит к тому, что величина предельного угла i_пред зависит от длины волны λ. При работе с белым светом наблюдаемая в поле зрения граница света и тени (или света и полутени) часто оказывается размытой и окрашенной. Для того чтобы получить и в этом случае резкое изображение, перед объективом трубы помещают компенсатор с переменной дисперсией. Компенсатор содержит две одинаковые дисперсионные призмы Амичи (призмы П₁ и П₂ на рис.6 и 7), каждая из которых состоит из трех склеенных призм, обладающих различными показателями преломления и различной дисперсией. Призмы рассчитываются так, чтобы монохроматический луч с длиной волны λ_D = 589,3 нм (среднее значение длины волны желтого дублета натрия) не испытывал отклонения. Лучи с другими длинами волн отклоняются призмой в ту или иную сторону. В зависимости от взаимной ориентации призм дисперсия компенсатора изменяется в пределах от нуля до удвоенного значения дисперсии одной призмы.

Для поворота призм относительно друг друга служит специальная рукоятка и система конических шестерен, с помощью которых призмы одновременно поворачиваются в противоположных направлениях. Вращая ручку компенсатора, следует добиваться того, чтобы граница света и тени в поле зрения стала достаточно резкой и не окрашенной. Положение границы при этом соответствует длине волны λ_D, для которой обычно и приводятся в справочниках значения показателя преломления n_D для различных веществ.

Приступая к измерениям, необходимо убедиться в правильной работе прибора. Такую проверку проще всего выполнить, измерив показатель преломления вещества с известным показателем преломления. В качестве такого вещества можно взять, например, дистиллированную воду, для которой (при Т=20 ºС) n_D²⁰=1,33291. Если измерение дает другой результат, следует; определить поправку к шкале.

При визуальном совмещении границы раздела света и тени с перекрестием нитей наблюдатель допускает небольшие ошибки, в результате которых измеренные значения для одного и того же вещества в разных опытах не вполне точно совпадают между собой (случайный разброс). Поэтому рекомендуется в каждом случае проводить несколько измерений показателя преломления и определять среднее значение.