РЕФРАКТОМЕТРИЯ

Показатель преломления (n) — это отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде, из к-рой свет падает на границу раздела; выражается отношением синуса угла падения луча света (i) к синусу угла преломления (a) (рис. 1).

Для каждой среды n — величина постоянная, не зависящая от угла падения. На практике п обычно определяют при падении света на преломляющую среду из воздуха. Поскольку величина n зависит от длины волны света и температуры, то при п обычно указывают длину волны света или обозначение спектральной линии, при к-рой производилось измерение, напр., n²⁰_D означает, что n измерено при длине волны 589,3 нм (желтая линия натрия) и температуре, равной 20°. На практике часто используют величину, являющуюся функцией показателя преломления и называемую рефракцией. Рефракция, отнесенная к одному грамму вещества, называется удельной рефракцией (r):

r = [(n² - 1)/(n²+2)]*(1/d)

Рефракция, отнесенная к одному молю вещества, называется молекулярной рефракцией (R):

R = [(n² - 1)/(n²+2)]*(M/d)

тде d — удельный вес вещества, М — молекулярный вес.

Молекулярная рефракция складывается из рефракций, входящих в молекулу атомов, характерна для каждого вещества и позволяет, в частности, идентифицировать состав жидкостей (с точностью до 0,01%), проводить количественный анализ (при расходе вещества 0,001 —0,1 г), изучать строение молекул, определять градиенты концентраций вещества при седиментации, электрофорезе, диффузии.

По способу измерения n различают несколько методов Р., основными из к-рых являются: 1) методы прямого измерения углов при прохождении луча света через границу раздела двух сред; 2) интерференционные методы; 3) иммерсионные методы.

В одном из вариантов первого метода исследуемую жидкость наливают в полую призматическую кювету с преломляющим углом φ (рис. 2). Призму освещают параллельным пучком света со стороны одной грани и измеряют наименьший угол отклонения луча света δ, к-рый соответствует симметричному ходу лучей через призму. Величина показателя преломления n_х вычисляется по формуле:

n_x = sin([φ + δ]/2) / sin(φ/2).

Большее распространение получил метод определения показателя преломления (nх) образца путем измерения предельного угла преломления или угла полного внутреннего отражения на границе образца и призмы с точно известным показателем преломления (n₀), большим, чем n_х (рис. 3). Исследуемую жидкость наливают в прозрачный сосуд, установленный на поверхности призмы (в случае твердого тела одна поверхность его полируется на плоскость, а между этой плоскостью и поверхностью призмы помещают каплю жидкости, к-рая растекается в тонкий плоскопараллельный слой).

В одном варианте метода (рис. 3, а) граница соприкосновения исследуемого образца освещается широким пучком света со стороны образца, а в другом — со стороны одной из граней призмы (рис. 3, б). Расчет производится по формуле

n_x = n₀sin(а),

где а — предельный угол преломления, соответствующий углу падения луча света i = 90°, n₀ — известное значение угла преломления призмы, n_х — искомое значение показателя преломления.

На практике обычно измеряют не предельный угол преломления, а угол выхода предельного луча из призмы в воздух β. В этом случае

n_х = sinφ √(n₀² - sin²β) ± cosφsinβ,

где φ — угол преломления призмы (остальные обозначения те же).

Наиболее чувствительным является интерференционный метод измерения показателей преломления. Если луч света определенной длины волны от одного источника света разделить на два параллельных луча и затем их свести вместе, то при наличии постоянной разности фаз между колебаниями электромагнитных волн в одном луче относительно другого в плоскости пересечения лучей будет наблюдаться интерференция. Помещение на пути одного луча кюветы с исследуемым веществом, а на пути другого такой же кюветы с эталонным веществом (т. е. показатель преломления n_э к-рого точно известен) приводит к смещению интерференционной картины на m полос по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом. В этом случае значение nх рассчитывают по формуле:

n_х = n_э ± mλ/l,

где λ — длина волны света, l — длина кюветы.

Наибольшее распространение этот метод получил при Р. газообразных и жидких прозрачных веществ, определении количества примесей, концентраций разбавленных растворов и т. д.

При Р. преломления твердых тел, не имеющих определенной формы (напр., порошков, кусков стекла и др.), используется иммерсионный метод, основанный на подборе эталонной иммерсионной жидкости с показателем преломления, равным показателю преломления исследуемого образца (n_э — n_х). При помещении исследуемого образца в эту жидкость он становится «невидимым» .

При иммерсионном методе заранее готовится набор эталонных жидкостей, в к-рые последовательно вводится исследуемый образец. При достижении оптической однородности среды измеряют показатель преломления жидкости с помощью одного из описанных выше методов. Как правило, наблюдение с помощью иммерсионного метода ведется под микроскопом.

К рефрактометрам, работающим по принципу измерения предельного угла преломления, относятся рефрактометры Пульфриха, Аббе, погружные рефрактометры. Чувствительность этих приборов около 10^-4. В рефрактометре Пульфриха используется измерительная призма с преломляющим углом а — 90°, рефрактометре Аббе — измерительная призма имеет угол а = 60°. В связи с тем, что показатель преломления зависит от температуры, рефрактометры снабжаются термостатирующим устройством (водяной рубашкой), которое позволяет измерять угол преломления при определенной температуре или определять температурную зависимость коэффициента преломления образца.

На практике для измерения показателя преломления жидкостей широкое распространение получил погружной рефрактометр (рис. 4). Измерительная призма во время работы погружается непосредственно в исследуемую жидкость, к-рая наливается в прозрачный стаканчик. Лучи света от осветительного устройства отражаются зеркалом, проходят через образец и попадают на измерительную призму. Отсчет ведется по шкале, нанесенной на линзу окуляра.

Применяются также рефрактометры специального назначения, напр., рефрактометры типа РПЛ (для определения сахара в водных растворах), РЖ (для определения жиров) и др. В производственных технологических процессах для непрерывного контроля за качеством продукции и автоматического регулирования хода процесса созданы автоматические регистрирующие и регулирующие приборы с фотоэлектронным определением величины показателя преломления n. Переход на фотоэлектронную регистрацию позволяет повысить чувствительность рефрактометров до 1•10^-6.

Для измерения показателей преломления с использованием интерференции волн служат интерференционные рефрактометры, среди к-рых наибольшее распространение получили интерферометры Жамена (рис. 5), Рождественского и Рэлея. Принцип работы этих интерферометров одинаков, различаются они лишь методами получения когерентных пучков, к-рые проходят через эталонный и исследуемый образцы и затем сводятся вместе. По смещению интерференционной картины, длине образца (кюветы) и величине показателя преломления эталона определяется показатель преломления исследуемого образца. В интерферометре Рождественского лучи разделяются с помощью полупрозрачных пластин, в интерферометре Рэлея — с помощью двух щелевых диафрагм. Чувствительность интерференционных рефрактометров 10^-7—10^-8.

См. также Оптические методы исследования.

Библиография: Бокий Г. Б. Иммерсионный метод, М., 1948; Иоффе Б. В. Рефрактометрические методы химии, Л., 1974, библиогр.; JI яликов Ю. С. и Клячко Ю. А. Теоретические основы современного качественного анализа, М., 1978; Методы анализа пищевых, сельскохозяйственных продуктов и медицинских препаратов, пер. с англ., под ред. А. Ф. Наместникова, М., 1974.

В. Н. Верхотуров.