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1、光学测量技术及仪器阿贝折射仪旋光仪分光光度计分光光度计的构造原理72型分光光度计752型分光光度计光与物质相互作用可以产生各种光学现象（如光的折射、反射、散射、 透射、吸收、旋光以及物质受激辐射等），通过分析研究这些光学现象，可 以提供原子、分子及晶体结构等方面的大量信息。所以，不论在物质的成分 分析、结构测定及光化学反应等方面，都离不开光学测量。下面介绍物理化 学实验中常用的几种光学测量仪器。一、阿贝折射仪折射率是物质的重要物理常数之一，许多纯物质都具有一定的折射率， 如果其中含有杂质则折射率将发生变化，出现偏差，杂质越多，偏差越大。 因此通过折射率的测定，可以测定物质的浓度。1. 阿贝折射
2、仪的构造原理阿贝折射仪的外形图如图II -5-1所示。当一束单色光从介质1进入介质II （两种介质的密度不同）时，光线在通 过界面时改变了方向，这一现象称为光的折射，如图II-5-2所示。图II-5-1阿贝折射仪外形图1.测量望远镜；2.消散手柄;3.恒温水入口 ;4.温度计;5.测量棱镜;6.铰链;7.辅助棱镜;8.加液槽;9,反射 镜;10.读数望远镜;11.转轴;12.刻度盘罩;13.闭合旋钮；14.底座。图II -5-2光的折射光的折射现象遵从折射定律sin a-=一=就卬sin式中a为入射角，&为折射角，n、 为介质II对介质I的相对折射率。1IIn J为交界面两侧两种介质的折射率；
3、n若介质I为真空，因规定n=1.0000，故n =n为绝对折射率。但介质 I通常为空气，空气的绝对折射率为1.00029这样得到的各物质的折射率 称为常用折射率，也称作对空气的相对折射率。同一物质两种折射率之间的 关系为：绝对折射率=常用折射率X1.00029根据式(5.1)可知，当光线从一种折射率小的介质1射入折射率大的介质II时 (n )。当入射角增大时，折射角也增大， 设当入射角a=90时，折射角为服，我们将此折射角称为临界角。因此，当 在两种介质的界面上以不同角度射入光线时(入射角a从090)，光线经 过折射率大的介质后，其折射角。中0。其结果是大于临界角的部分无光线通 过，成为暗区；
4、小于临界角的部分有光线通过，成为亮区。临界角成为明暗 分界线的位置，如图II -5-2所示。图 II -5-3阿贝折射仪光学系统示意图1.反射镜；2.辅助棱镜;3,测量棱镜;4.消色散棱镜；5.物镜;6,分划板;7、8.目镜;9,分划板;10,物镜;11,转向 棱镜;12.照明度盘;13.毛玻璃;14.小反光镜。根据(5.1)式可得：勺用u :依u，sm 用(5.2)sin a_因此在固定一种介质时，临界折射角凡的大小与被测物质的折射率是 简单的函数关系，阿贝折射仪就是根据这个原理而设计的。2. 阿贝折射仪的结构阿贝折射仪的光学示意图如图II -5-3所示，它的主要部分是由两个折射 率为1.7
5、5的玻璃直角棱镜所构成，上部为测量棱镜，是光学平面镜，下部 为辅助棱镜。其斜面是粗糙的毛玻璃，两者之间约有 0.1mm0.15mm厚度 空隙，用于装待测液体，并使液体展开成一薄层。当从反射镜反射来的入射 光进入辅助棱镜至粗糙表面时，产生漫散射，以各种角度透过待测液体，而 从各个方向进入测量棱镜而发生折射。其折射角都落在临界角之内，因为棱镜的折射率大于待测液体的折射率，因此入射角从090的光线都通过测量棱镜发生折射。具有临界角凡的光线从测量棱镜出来反射到目镜上， 此时若将目镜十字线调节到适当位置，则会看到目镜上呈半明半暗状态。折 射光都应落在临界角P0内，成为亮区，其它部分为暗区，构成了明暗分界
6、 线。根据式(5.2)可知，只要已知棱镜的折光率n棱，通过测定待测液体的临 界角。0,就能求得待测液体的折射率n液。实际上测定。0值很不方便，当 折射光从棱镜出来进入空气又产生折射，折射角为 80。n液与膈，之间的关 系为：依浪=sin 司建方-sin2- cos 广.sin 除 (5.3)式中r为常数;n =1.75。测出儿即可求出n液。因为在设计折射仪时已将 气 换算成n液值，故棱从折射仪的标尺上可直接读出液体的折射率。在实际测量折射率时，我们使用的入射光不是单色光，而是使用由多 种单色光组成的普通白光，因不同波长的光的折射率不同而产生色散，在目 镜中看到一条彩色的光带，而没有清晰的明暗分
7、界线，为此，在阿贝折射仪 中安置了一套消色散棱镜(又叫补偿棱镜)。通过调节消色散棱镜，使测量棱 镜出来的色散光线消失，明暗分界线清晰，此时测得的液体的折射率相当于 用单色光钠光D线(5890*!)所测得的折射率nD。3. 阿贝折射仪的使用方法(1) 仪器安装:将阿贝折射仪安放在光亮处，但应避免阳光的直接照射，以免液体试样受热迅速蒸发。用超级恒温槽将恒温水通入棱镜夹套内，检查 棱镜上温度计的读数是否符合要求(一般选用(20.00.1) C或(25.00.1) C)(2) 加样:旋开测量棱镜和辅助棱镜的闭合旋钮，使辅助棱镜的磨砂斜面 处于水平位置，若棱镜表面不清洁，可滴加少量丙酮，用擦镜纸顺单一方
8、向 轻擦镜面(不可来回擦)。待镜面洗净干燥后，用滴管滴加数滴试样于辅助棱 镜的毛镜面上，迅速合上辅助棱镜，旋紧闭合旋钮。若液体易挥发，动作要 迅速，或先将两棱镜闭合，然后用滴管从加液孔中注入试样(注意切勿将滴 管折断在孔内)。(3) 调光:转动镜筒使之垂直，调节反射镜使入射光进入棱镜，同时调节 目镜的焦距，使目镜中十字线清晰明亮。调节消色散补偿器使目镜中彩色光 带消失。再调节读数螺旋，使明暗的界面恰好同十字线交叉处重合。(4) 读数:从读数望远镜中读出刻度盘上的折射率数值。常用的阿贝折 射仪可读至小数点后的第四位，为了使读数准确，一般应将试样重复测量三 次，每次相差不能超过0.0002，然后取
9、平均值。4. 阿贝折射仪的使用注意事项阿贝折射仪是一种精密的光学仪器，使用时应注意以下几点(1)使用时要注意保护棱镜，清洗时只能用擦镜纸而不能用滤纸等。加 试样时不能将滴管口触及镜面。对于酸碱等腐蚀性液体不得使用阿贝折射 仪。每次测定时，试样不可加得太多，一般只需加 23滴即可。(3) 要注意保持仪器清洁，保护刻度盘。每次实验完毕，要在镜面上加 几滴丙酮，并用擦镜纸擦十。最后用两层擦镜纸夹在两棱镜镜面之间，以免 镜面损坏。(4) 读数时，有时在目镜中观察不到清晰的明暗分界线，而是畸形的， 这是由于棱镜间未充满液体；若出现弧形光环，则可能是由于光线未经过棱 镜而直接照射到聚光透镜上。(5) 若待
10、测试样折射率不在1.31.7范围内，则阿贝折射仪不能测定， 也看不到明暗分界线。5. 阿贝折射仪的校正和保养阿贝折射仪的刻度盘的标尺零点有时会发生移动，须加以校正。校正的 方法一般是用已知折射率的标准液体，常用纯水。通过仪器测定纯水的折光 率，读取数值，如同该条件下纯水的标准折光率不符，调整刻度盘上的数值， 直至相符为止。也可用仪器出厂时配备的折光玻璃来校正， 具体方法一般在 仪器说明书中有详细介绍。阿贝折射仪使用完毕后，要注意保养。应清洁仪器，如果光学零件表面 有灰尘，可用高级鹿皮或脱脂棉轻擦后，再用洗耳球吹去。如有油污，可用 脱脂棉蘸少许汽油轻擦后再用乙醚擦干净。用毕后将仪器放入有干燥剂的
11、箱 内，放置于干燥、空气流通的室内，防止仪器受潮。搬动仪器时应避免强烈 振动和撞击，防止光学零件损伤而影响精度。二、旋光仪1. 旋光现象和旋光度一般光源发出的光，其光波在垂直于传播方向的一切方向上振动，这种光称为自然光，或称非偏振光；而只在一个方向上有振动的光称为平面偏振 光。当一束平面偏振光通过某些物质时，其振动方向会发生改变，此时光的 振动面旋转一定的角度，这种现象称为物质的旋光现象，这种物质称为旋光 物质。旋光物质使偏振光振动面旋转的角度称为旋光度。尼柯尔(Nicol)棱镜 就是利用旋光物质的旋光性而设计的。2. 旋光仪的构造原理和结构旋光仪的主要元件是两块尼柯尔棱镜。尼柯尔棱镜是由两块
12、方解石直角 棱镜沿斜面用加拿大树脂粘合而成，如图II -5-4所示。图 II -5-4尼柯尔棱镜当一束单色光照射到尼柯尔棱镜时，分解为两束相互垂直的平面偏振 光，一束折射率为1.658的寻常光，一束折射率为1.486的非寻常光，这两 束光线到达加拿大树脂粘合面时，折射率大的寻常光（加拿大树脂的折射率 为1.550）被全反射到底面上的墨色涂层被吸收，而折射率小的非寻常光则通 过棱镜，这样就获得了一束单一的平面偏振光。用于产生平面偏振光的棱镜 称为起偏镜，如让起偏镜产生的偏振光照射到另一个透射面与起偏镜透射面 平行的尼柯尔棱镜，则这束平面偏振光也能通过第二个棱镜，如果第二个 棱镜的透射面与起偏镜的
13、透射面垂直，则由起偏镜出来的偏振光完全不能 通过第二个棱镜。如果第二个棱镜的透射面与起偏镜的透射面之间的夹角 0在090之间，则光线部分通过第二个棱镜，此第二个棱镜称为检偏镜。 通过调节检偏镜，能使透过的光线强度在最强和零之间变化。如果在起偏镜与检偏镜之间放有旋光性物质，则由于物质的旋光作用，使来自起偏镜的 光的偏振面改 变了某一角度，只有检偏镜也旋转同样的角度，才能补偿旋 光线改变的角度，使透过的光的强度与原来相同。旋光仪就是根据这种原 理设计的。如图II -5-5所示。图II -5-5旋光仪构造示意图1.目镜；2.检偏棱镜;3,圆形标尺;4.样品管;5,窗口 ;6,半暗角器件；7.起偏棱镜
14、;8,半暗角调节;9,灯。通过检偏镜用肉眼判断偏振光通过旋光物质前后的强度是否相同是十 分困难的，这样会 产生较大的误差，为此设计了一种在视野中分出三分视 界的装置，原理是:在起偏镜后放置一块狭长的石英片，由起偏镜透过来的 偏振光通过石英片时，由于石英片的旋光性，使偏振 旋转了一个角度0， 通过镜前观察，光的振动方向如图II -5-6所示。图II -5-6三分视野示意图A是通过起偏镜的偏振光的振动方向，A是又通过石英片旋转一个角度 后的振动方向，此两偏振方向的夹角 称为半暗角(=23)，如果旋转检 偏镜使透射光的偏振面与A，平行时，在视野中将观察到：中间狭长部分较明 亮，而两旁较暗，这是由于两
15、旁的偏振光不经过石英片，如图II -5-6(b)所示。 如果检偏镜的偏振面与起偏镜的偏振面平行(即在A的方向时)，在视野中将 是:中间狭长部分较暗而两旁较亮，如图II -5-6(a)。当检偏镜的偏振面处于 亶时，两旁直接来自起偏镜的光偏振面被检偏镜旋转了竺，而中间被石英22片转过角度0的偏振面对被检偏镜旋转角度|，这样中间和两边的光偏振面都被旋转了 ；，故视野呈微暗状态，且三分视野内的暗度是相同的，如 图II -5-6(c)，将这一位置作为仪器的零点，在每次测定时，调节检偏镜使三 分视界的暗度相同，然后读数。3. 影响旋光度的因素(1)溶剂的影响旋光物质的旋光度主要取决于物质本身的结构。另外，还与光线透过物 质的厚度，测量时所用光的波长和温度有关。如果被测物质是溶液，影响因 素还包括物质的浓度，溶剂也有一定的影响。因此旋光物质的旋光度，在不 同的条件下，测定结果通常不一样。因此一般用比旋光度作为量度物质旋光 能力的标准，其定义式为：a.IOCSLC式中D表示光源，通常为钠光D线，I为实验温度，a为旋光度，L为液层 厚度，单位为厘米，C为被测物质的浓度(以每毫升溶液中含有样品的克数 表示)，在测定比旋光度应值时，应说明使用什么溶剂，如不说明一般指 水为溶剂。(2)温度的影响温度升高会使旋光管膨
