液體折射率的測量方法分析

宋書瑋

摘 要：折射率屬于物質(zhì)的重要參數(shù)，利用折射率的測量可以了解該種物質(zhì)的濃度、純度、色散性能、官學(xué)性能，在食品、醫(yī)藥、化工與石油工業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了激光照射法、衍射光柵法、光纖楊氏干涉法、掠面入射法和CCD測量法幾種常見的液體折射率測量法。

關(guān)鍵詞：液體折射率；測量方法；分析

在物質(zhì)眾多光參數(shù)中，折射率非常重要，物質(zhì)的純度、濃度和色散等性質(zhì)都能通過折射率進(jìn)行了解。除此折射率還與熱光系數(shù)等一些參數(shù)有著密切聯(lián)系。折射率的精準(zhǔn)測量在化工廠、制藥廠和食品廠等工業(yè)部門具有重要意義。而且高校的一些實(shí)驗(yàn)也離不開折射率的精準(zhǔn)測量。液體折射率的測量方法多種多樣，而本文主要介紹了激光照射法、衍射光柵法、光纖楊氏干涉法、掠面入射法和CCD測量法五種簡單實(shí)用的方法，并對它們的異同進(jìn)行了比較。

1 激光照射法

激光照射法測量折射率時(shí)需要液體的折射和液體表層的反射。具體測量過程是：He-Ne激光器以一定角度照射樣品池里水平放置的玻璃板，此時(shí)會發(fā)生光的反射，標(biāo)出反射到對面垂直于地面的墻壁上的光斑N。然后向樣品池中緩慢注入待測液直到形成液體薄層，此時(shí)光線會在液體表面發(fā)生反射而在墻壁上形成光斑N1，另外光線通過空氣進(jìn)入待測液體部分會被玻璃板反射而又從液體出來，在這個(gè)過程中光線發(fā)生了兩次折射，在墻壁上產(chǎn)生光斑N2。經(jīng)過測量我們可以得到墻上幾個(gè)光斑間的距離，利用幾何知識可以得到入射角，再將這些數(shù)據(jù)代入由Snell定律和相關(guān)幾何關(guān)系推導(dǎo)出的液體折射率計(jì)算公式中，就可以得出此液體的折射率。

2 衍射光柵法

通過衍射光柵法測量液體折射率時(shí)需用到激光、衍射光柵和立方體玻璃樣品池。具體操作過程是：使激光產(chǎn)生的激光束準(zhǔn)直地照射到靠近玻璃池的衍射光柵上。在沒加待測液體前，會在在玻璃池后壁衍射出零級衍射光束A點(diǎn)和一級衍射光束C點(diǎn)。加液后，一級衍射光束經(jīng)液體折射后（忽略玻璃池厚度對光束產(chǎn)生的側(cè)移）打在后壁的B點(diǎn)。并將這些點(diǎn)標(biāo)記在貼在池子外側(cè)的坐標(biāo)紙上。因?yàn)橐患壯苌涔鈻抛裱祭穸桑@樣可以找到角和長度的關(guān)系，再根據(jù)Snell定律得出求折射率的計(jì)算公式，因?yàn)楣街兄挥薪嵌群驼凵渎省Ｋ栽俑鶕?jù)布拉格定律可以通過測量或利用勾股定理間接得出所要的長度來代替公式中的角度最后求得該液體的折射率。

3 光纖楊氏干涉法

光纖楊氏干涉法利用了芯徑小、能產(chǎn)生均勻光斑和傳光性良好的光纖做干涉光源，從而使干涉圖樣更明亮而且條紋較寬便于測量。而且這種方法只需要測量條紋寬度，減少了測量誤差。

4 掠面入射法

掠面入射法是利用阿貝折射儀來測量液體折射率的，在使用時(shí)只需將望遠(yuǎn)鏡的叉絲對準(zhǔn)明暗交界線，就可以直接從表盤上讀出待測液的折射率。阿貝折射儀是根據(jù)全反射原理制作的，入射光線中必定會有以近似平行于直角棱鏡弦面（全反射臨界角）從待測液體某點(diǎn)進(jìn)入棱鏡的，而且會從棱鏡的另一面以一定出射角出射出。此時(shí)用望遠(yuǎn)鏡按照出射角度對準(zhǔn)出射光線，視野中會出現(xiàn)一半明一半暗的現(xiàn)象，是因?yàn)樵诖笥谌瓷渑R界角方向上沒有光能流，而且中間的分界線與全反射臨界角光線對應(yīng)。阿貝折射儀關(guān)鍵部件是由兩個(gè)直角棱鏡弦面相對組成，上面棱鏡的弦面是磨砂的為散漫光源用。

5 CCD測量法

用CCD測量法計(jì)算液體折射率時(shí)利用了液體折射率與偏移量的關(guān)系。具體過程是先用CCD兩次測量激光束從同一角度斜射長方形樣品池時(shí)產(chǎn)生的偏移量。這兩次測量有所不同，一次長方形樣品池中充滿待測液體，另一次長方形樣品池是空的。再將兩個(gè)數(shù)據(jù)代入由折射率與偏移量的關(guān)系導(dǎo)出公式中，最后做差。這樣做的原因是激光束照射充滿待測液的樣品池時(shí)產(chǎn)生的偏移量不只是由待測液產(chǎn)生，還與玻璃壁等有關(guān)系。而把此數(shù)據(jù)代入公式求得的折射率并不是待測液體的，所以通過減去相同角度照射無液體空樣品池子求得的折射率來消除玻璃壁等其他因素影響。這個(gè)測量方法的實(shí)驗(yàn)原理和PCR測吸光度時(shí)必須用空白組的道理類似。

6 結(jié)語

本文介紹的這五種方法各有各的優(yōu)缺點(diǎn)：其中激光照射法和衍射光柵法操作簡單，僅需測出幾個(gè)光斑間的距離就可計(jì)算出折射率，而且測量范圍非常廣，不用移動(dòng)設(shè)備就可以連續(xù)測量不同液體。但光斑間距離的不精確測量會降低折射率的精確度。光纖楊氏干涉法雖然能得到較寬較亮的干涉條紋，測量的精確度也較高，但對操作的要求高不適宜廣泛應(yīng)用。掠面入射法是目前應(yīng)用中最為廣泛的一種，它的操作簡單而且精確度也高，但它的測量范圍有限。總之，在實(shí)驗(yàn)中為了得到理想的測量結(jié)果要根據(jù)具體情況來選擇合適的測量方法。

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