用分光計測量阿貝數

韓 也

(長春大學 物理實驗中心，長春 130022)

0 引言

阿貝數是德國物理學家恩斯特·阿貝發明的物理學數，也稱“V-數”，用來衡量介質的光線色散程度。阿貝數n表示透明物質色散能力的反比例指數，是對控制光譜的材料能力的一種測量，數值越小色散現象越厲害。眼用光學鏡片材料的阿貝數一般在30到60之間。阿貝數越高，戴眼鏡者越不容易察覺到鏡片周邊產生的色散現象(橫向色差)。同時阿貝數還可以用于計算軸向色差和橫向色差［1］。

石英玻璃的阿貝數n(色散率)67.618;光學玻璃的阿貝數:n≥50的玻璃為冕玻璃，用K表示;n＜50為火石玻璃，用F表示。冕玻璃屬于堿硅酸鹽玻璃。

總的來說有這樣一個規律:材料的折射率越大，色散越厲害，即阿貝數越低。阿貝數是光學系統設計中消除色差經常使用的參數，也是透光材料重要性能之一，在光通信中，光纖的色散主要有材料色散、波導色散、偏振模色散和模間色散四種。光纖的材料色散是評價光纖材料的重要指標之一。因此，確定透光材料的阿貝數是一個很重要的工作。

1 用分光計測量阿貝數的實驗原理

在光學玻璃研究中，為了定量地表示的光學性質，首先必須確定某些特殊譜線的波長作為標準波長，在可見光部分中，玻璃的折射率和色散的測定值通常采用表1所列的波長。

表1 標準光譜的波長

通過測量有關的折射率，即可獲得阿貝數。本文主要介紹在大學物理實驗中，使用分光計間接測量光學玻璃阿貝數的實驗方法。

在上述波長下測得的玻璃折射率分別用 nC，nD，nF……，表示［2］。

測量阿貝數的儀器種類和方法很多，但是基本測量原理不變，即與材料折射率有直接的關系，公式如下:

2 實驗儀器

2.1 光源

鈉光燈和汞燈，實驗室常用的鈉燈和汞燈作為單色光源，它們的工作原理都是以金屬Na或Hg蒸氣在強電場中發生的游離放電現象為基礎的弧光放電燈。氫燈，它是一種高壓氣體放電光源，它的兩個玻璃管中間用彎曲的毛細管連通，管內充氣。在管子兩端加上高電壓后，氫氣放電發出粉紅色的光。在可見光范圍內，氫燈發射的原子光譜線主要有三條［3］。

2.2 JJY －1＇型分光計;

2.3 表面光亮規則形狀玻璃材料(可以使用實驗室的三棱鏡)

3 實驗步驟

3.1 調整分光計:分光計望遠鏡聚焦無窮遠，望遠鏡光軸垂直儀器轉軸，平行光管與望遠鏡等高同軸，并發出平行光［4］。

圖1 測量頂角A原理圖

圖2 測量最小偏向角原理圖

3.3 分別測量同一材料在三種標準光譜(分別是D，C，F光)的經過玻璃的最小偏向角δmin，各采集三組測量數據，如圖2所示。

3.4 利用公式

分別計算折射率 nC，nD，nF。

3.5 將nC，nD，nF代入(1)式，求出阿貝數的最佳值。

3.6 用不確定度評價測量結果。

4 測量結果及討論

4.1 本實驗使用多元素組合光源，規則形狀的光學玻璃為三棱鏡，測量其有關數據，見表2。

表2 測量 nC，nD，nF數據表

4.2 計算與分析

由于本實驗所用玻璃為等邊三棱鏡，其頂角為60°00＇根據(2)式計算三種單色光折射率，分別得到:

5 測量結果及討論

上述測量結果很準確，表明本實驗室所用的光學玻璃三棱鏡，屬于硅酸鹽玻璃材料范圍，色散率適中，從而說明本實驗適應于實際測量，可以在大學物理實驗中開設。

分光計測量阿貝數的實驗，是對光學材料知識和光學儀器綜合運用到的一種新嘗試，即拓寬了學生靈活運用測量儀器的思路，又為光學物理實驗教學提供了新的應用性實驗內容。從教學效果來看，確實啟迪和鍛煉了學生實驗方面的技能和方法。

教學的實質是培養學生的探究和實踐能力，教育不僅僅是向學生傳授書本上的知識，其本質目的是培養學生對新事物的探索意識和創造能力，愛因斯坦曾說過:“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”［5］。本實驗很容易引起學生的興趣，也可以為學生提共關于分光計應用方面的設計性實驗題目。作為設計性實驗題目，可以先提出測量目標，提供實驗儀器，引導學生積極思考、大膽假設、努力探索，認真設計實驗方案，探尋新的實驗方法。

［1］馬眷榮.玻璃辭典［M］.北京:化學工業出版社，2010.

［2］趙彥釗，殷海榮.玻璃工藝學［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［3］史智平.光源特性研究與使用［J］.大學物理實驗，2011(2):14.

［4］朱莉，傅志雄.大學物理實驗［M］.長春:吉林人民出版社，2008.

［5］藍嵐翎.高校實驗教學改進方案探討［J］.湖北廣播電視大學學報，2010(11):127-128.