измерение показателей преломления и средней дисперсии

ИЗМЕРЕНИЕ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
И СРЕДНЕЙ ДИСПЕРСИИ
КРИСТАЛЛОВ
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Выполнение лабораторной работы «Измерение показателей преломления
и средней дисперсии кристаллов» предусмотрено учебным планом подготовки
студентов по специальности «Физика» при изучении дисциплины «Кристаллооптика» на базе знаний, полученных студентами при освоении раздела «Оптика» курса общей физики [1–5]. Методические указания могут быть использованы студентами специальности «Радиотехника» при изучении дисциплины «Оптические устройства в радиотехнике».
Современные оптические приборы играют важную роль как в промышленности, так и в научных исследованиях. Научной базой для управления технологическим процессом создания любого оптического прибора служит теория
оптических измерений. Явления преломления света на границе раздела двух
сред и дисперсии света в среде оказывают определяющее влияние на работу
любого оптического прибора.
Цель настоящих методических указаний заключается в изложении теоретических основ и методов измерения одних из основных оптических параметров материалов – показателей преломления и средней дисперсии [6-10]. Методической особенностью является приоритетное изложение сущности изучаемых методов измерения и их сравнение друг с другом. Кроме того, студентам
предоставляется возможность самостоятельно оценить точность каждого из методов измерения показателя преломления.
В лабораторной работе освещены три наиболее распространенных метода
измерения показателей преломления оптически прозрачных сред: метод призмы, рефрактометрический метод и иммерсионный метод. Рассмотрена методика работы с такими оптическими приборами, как гониометр, рефрактометр и
поляризационный микроскоп.
При выполнении лабораторной работы студенты изучают методы измерения показателей преломления различных оптических сред. Последние различаются не только по агрегатному состоянию, но и по типу анизотропии. Основным объектом исследования являются кристаллы. Изучение свойств кристаллов
невозможно без использования оптических методов измерения их показателей
преломления и средней дисперсии.
При выполнении работы студенты учатся использовать на практике теоретические знания явления двойного лучепреломления и поляризации света.
Выполнение комплексного задания помогает студентам приобрести навыки научно-исследовательской работы и анализа результатов эксперимента.
4
Лабораторная работа
«ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
И СРЕДНЕЙ ДИСПЕРСИИ КРИСТАЛЛОВ»
Цель работы: изучение методов измерения показателей преломления и
средней дисперсии кристаллов, наблюдение двойного лучепреломления.
Оборудование и материалы: гониометр, рефрактометр, поляризационный
микроскоп, светофильтры, дистиллированная вода, исследуемые и иммерсионные жидкости, плоскопараллельные стеклянные пластины, призма, кристаллы
кварца и ADP, кристаллический порошок.
Введение
Одним из важных свойств любого вещества является его преломляющая
способность, которая характеризуется показателем преломления. Феноменологическая волновая оптика объясняет преломление света изменением скорости
распространения электромагнитной волны при прохождении ею границы раздела двух сред. При этом показатель преломления вычисляется как отношение
скорости света в вакууме к скорости света в преломляющей среде.
Наличие дисперсии света является одним из фундаментальных затруднений первоначальной электромагнитной теории света Максвелла. Кроме того,
только для ряда газообразных и жидких диэлектриков (азот, водород, гелий,
бензол и др.) соотношение Максвелла n = ем , где ε – диэлектрическая, µ –
магнитная проницаемости среды, выполняется достаточно хорошо. Трудности
электромагнитной теории устраняются электронной (молекулярной) теорией,
объясняющей влияние частоты электромагнитного поля на ε.
В молекулярной теории считается, что под действием поля волны в молекулах среды индуцируются диполи, совершающие вынужденные колебания с
частотой, равной частоте падающей волны. Эти диполи являются источниками
вторичных сферических волн. Поскольку распространение света в преломляющей среде связано с поляризуемостью молекул под действием электромагнитной волны, то различные вещества будут иметь разную преломляющую способность. Физически механизм поляризуемости сводится к способности положительных и отрицательных зарядов (электронов и ядер) смещаться друг относительно друга, которые в соответствии силами взаимодействия имеют собственные частоты колебаний. Это приводит к формированию спектра поглощения света веществом. У большинства чистых жидкостей полосы поглощения,
связанные с колебаниями электронов, расположены в ультрафиолетовой части
спектра. Полосы поглощения, связанные с колебанием ядер, находятся в инфракрасной области. Поляризуемость зависит от удаленности частоты световой
5
волны от собственных частот среды, поэтому показатель преломления зависит
от длины волны: n = f (λ), причем эту зависимость называют дисперсионной.
Если принять во внимание, что в веществе может быть несколько сортов зарядов с различными зарядами ei и массами mi, способных к колебаниям с различными собственными частотами ω0i, то:
n = 1 + 4πN 0 ∑
2
i
f i ei2
1
,
mi ω02i − ω2
(1)
где N0 – число атомов в единице объема, fi – сила, или эффективность, отдельных сортов осцилляторов, соответствующих различным частотам ω0i.
Исследование показывает, что многие свойства атома удается передать
при помощи классических законов. Рассмотрение колебаний электронов в атоме с учетом квазиупругой силы, удерживающей их в положении равновесия,
тормозящей силы, приводящей к затухающим колебаниям, вынуждающей силы, действующей со стороны электрического поля световой волны, позволяет
получить форму дисперсионной кривой (рис. 1). Для уточнения зависимости
показателя преломления от частоты света необходимо, помимо учета действия
окружающих молекул среды, рассматривать частоту атомных переходов, которая вводится в квантовой теории.
Обычно величина показателя преломления выше для коротких (фиолетовых и синих) и ниже для длинных (оранжевых и красных) длин волн (см.
рис. 1). Это явление называется нормальной дисперсией показателей преломления. В случае конденсированного состояния вещества более или менее простые дисперсионные зависимости наблюдаются в области прозрачности. Полная дисперсионная картина для любого вещества состоит из областей аномальной дисперсии, соответствующих областям внутри полос или линий поглощения, и областей нормальной дисперсии, расположенных между полосами поглощения (см. рис. 1). Экспериментально удается осуществить измерения
вплоть до областей, отличающихся менее чем на 0,5 Å от длины волны, соответствующей собственным колебаниям атома.
Рис. 1. Кривая дисперсии при наличии двух полос поглощения
6
Преломление света принадлежит к числу важнейших физических
свойств, характеризующих физико-химическую природу того или иного вещества. Величина показателя преломления строго постоянна и полностью определяет вещество только в том случае, когда этот показатель определен в монохроматическом свете. Это позволяет использовать показатель преломления
в качестве характерного параметра вещества.
Численная величина дисперсии также может служить характеристикой
вещества. Большое значение имеют сведения по дисперсии света в веществах,
использующихся в оптическом приборостроении для изготовления линз, различного рода призм, отражающих поверхностей и т. п.
Существуют различные методы определения показателей преломления
кристаллов. В настоящей работе рассмотрим только некоторые из них: гониометрический (метод призмы), рефрактометрический (метод полного внутреннего отражения) и иммерсионный (метод погружения). Особенностью измерения показателей преломления кристаллов является необходимость ориентирования кристалла в измерительном приборе.
Скорость распространения света, а следовательно, и показатель преломления зависят от направления распространения световой волны в кристалле и
ориентации ее плоскости поляризации. Для определения показателей преломления кристалла используют вспомогательную поверхность, называемой оптической индикатрисой:
2
2
2
⎛ x⎞ ⎛ y⎞ ⎛ z⎞
⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜ ⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ = 1,
⎜ ⎟
⎝ nx ⎠ ⎝ n y ⎠ ⎝ nz ⎠
(2)
где nx, ny, nz – главные значения показателя преломления.
Оптическая индикатриса служит для определения показателей преломления n1 и n2 по любому направлению в кристалле. Для этого надо рассечь эллипсоид плоскостью, проходящей через его центр и перпендикулярной к направлению распространения света. Это сечение в общем случае будет иметь форму
эллипса, главные оси которого взаимно перпендикулярны; длины полуосей
равны показателям преломления n1 и n2.
Кристаллы, оптические свойства которых описываются шаровой поверхностью оптической индикатрисы, оптически изотропны. Кристаллы с оптическими свойствами, описываемыми эллипсоидами вращения, оптически анизотропны; их называют оптически одноосными. Все другие кристаллы принадлежат к оптически двуосным кристаллам; их оптические свойства описываются
трехосным эллипсоидом общего вида.
В одноосных кристаллах существует только одно направление, вдоль которого не наблюдается двойное лучепреломление; в двуосных кристаллах таких направлений два. Эти направления называются оптическими осями. Двупреломление считается слабым, когда оно меньше 0,01; средним, когда оно находится в пределах 0,01÷0,025; высоким – 0,025÷0,1; очень высоким – 0,1÷0,2 и
7
крайне высоким, когда оно выше 0,2. Угол оптических осей называется малым,
когда он меньше 30°, средним, если его величина находится между 30° и 60°, и
большим, когда он больше 60°.
В литературе прочно утвердилась традиция изображать как показатели
преломления, так и направления колебаний условными обозначениями, принятыми во Франции: Ng, Nm и Np – для двуосных, Ne и No – для одноосных, N – для
изотропных кристаллов. В видимой области спектра преломление стекла (оптического бесцветного неорганического) измеряют для следующих длин волн:
средний показатель преломления ne для линии ртути c λe = 546,07 нм (зеленая), величину средней дисперсии, т. е. разность показателей преломления
nF – nC, для линий кадмия с λF = 480,0 нм (сине-фиолетовая) и λC = 643,8 нм
(оранжево-красная) (или для линий водорода с λF = 486,1 нм (сине-фиолетовая)
и λC = 656,3 нм (оранжево-красная)).
Гониометрический метод
Метод призмы заключается в измерении отклонения от первоначального
направления луча света при прохождении его через исследуемую оптическую
среду, вырезанную в виде призмы, причем под призмой здесь подразумевается
совокупность двух граней, пересекающихся между собой под углом А.
На рис. 2 такая призма представлена в поперечном разрезе; ребро ее проходит через вершину угла А перпендикулярно плоскости рисунка.
Рис. 2. Ход лучей в призме. Угол А – преломляющий угол призмы, угол δ обозначает отклонение луча призмой
8
Из рисунка непосредственно следует, что A = r + r1 и δ = (i − r ) + (i1 − r1 ).
Если i = i1 и r = r1, то отклонение луча призмой принимает наименьшее значение. При этом r =
A + δ min
A
,i=
.
2
2
Закон Снеллиуса можно записать в следующем виде:
⎛ A + δ min
sin ⎜
sin i
2
= ⎝
n=
sin r
⎛ A⎞
sin ⎜ ⎟
⎝2⎠
⎞
⎟
⎠,
(3)
где n – относительный показатель преломления призмы. Углы A и δmin измеряют экспериментально на гониометре (рис. 3). Используя формулу (3), можно
определить показатель преломления исследуемого кристалла для выбранной
длины волны.
Рис. 3. Схема измерения показателя преломления на гониометре методом наименьшего отклонения: К – коллиматор, Т – зрительная труба, 1 – источник света, 2 – входная щель, 3 – объектив коллиматора, 4 – стол гониометра, 5 – призма, 6 – объектив зрительной трубы, 7 – окуляр зрительной трубы
Преломляющий угол A призмы измеряют с помощью автоколлимационной зрительной трубы Т (см. рис. 3), ось которой ориентируют перпендикулярно к каждой из граней призмы. Эти положения фиксируются в момент совме1
1
Автоколлимационные микроскопы позволяют одновременно наблюдать как непосредственное изображение, так и автоколлимационное изображение тест-объекта
(например, шкалы окуляра), полученное при отражении лучей, прошедших через
тест-объект, от объекта измерения.
9
щения перекрестия сетки окуляра 7 зрительной трубы с автоколлимационным
изображением этого же перекрестия. При этом снимаются отсчеты α1 и α2 по
лимбу гониометра, а преломляющий угол вычисляется по формуле
A = 180° − (α1 − α 2 ) .
(4)
Для измерения угла δmin используют методику наименьшего отклонения
(см. рис. 3):
1) устанавливают коллиматор и зрительную трубу противоположно друг другу (под углом 180°) и наблюдают в верхней половине поля зрения окуляра
зрительной трубы изображение выходной щели коллиматора, формируемое лучами, проходящими над призмой (рис. 4а);
2) измеряют положение зрительной трубы δ0, совмещая верхнее изображение
выходной щели коллиматора с перекрестием в окуляре зрительной трубы;
3) поворачивают зрительную трубу до тех пор, пока не появится в нижней
половине ее поля зрения изображение выходной щели коллиматора, формируемое лучами, проходящими через призму (рис. 4б);
4) наблюдая за этим изображением выходной щели коллиматора, одновременным вращением призмы и зрительной трубы добиваются такого их положения, при котором угол δ отклонения зрительной трубы имеет наименьшее значение (см. рис. 3) и при этом лучи внутри призмы идут перпендикулярно к биссектрисе преломляющего угла призмы;
5) измеряют положение зрительной трубы δ1, совмещая нижнее изображение
выходной щели коллиматора с перекрестием в окуляре зрительной трубы;
6) по разнице произведенных отсчетов вычисляют значение угла наименьшего отклонения δ min = δ1 − δ 0 .
а
б
Рис. 4. Изображения выходной щели коллиматора в поле зрения окуляра зрительной трубы, формируемые лучами, проходящими над призмой (а) и
через призму (б)
Этот метод можно использовать для измерения показателя преломления
как твердого тела, так и жидкости. Для этого используют полую призму, изго-
10
товленную из плоскопараллельных стеклянных пластин, которую заполняют
исследуемой жидкостью.
Одно изображение выходной щели коллиматора в нижней половине поля
зрения окуляра, формируемое преломленными лучами, проходящими через
призму (см. рис. 4б), наблюдается только при измерениях показателей преломления оптически изотропных кристаллов. У анизотропных кристаллов можно
видеть в поле зрения два изображения щели, соответствующие двум световым
волнам, распространяющимся в кристалле с разными скоростями.
Для измерений на гониометре необходимо изготовить из исследуемого
кристалла двухгранную призму.
Точность измерений методом призмы зависит от точности юстировки гониометра, установки призмы, отсчетов по кругу гониометра. Из-за погрешностей в 1′′ при измерении углов для n = 1,61804 и А = 60°, ошибка в определении
показателя преломления составляет 7⋅10−6. Такая точность достигается при работе с большими гониометрами (массой 350 кг). Обычная точность отсчета
у гониометра – 30′′ (массой 14,5 кг). Ошибка, равная 30′′, при измерении углов
А и δ приводит к ошибке для n в 2⋅10−4.
Рефрактометрический метод
Рефрактометрический метод основан на измерении предельного угла
преломления или угла полного внутреннего отражения на границе раздела двух
сред. Специальные приборы, употребляемые для наблюдения этих явлений, называются рефрактометрами.
В кристаллооптике обычно пользуются кристаллорефрактометрами с полушарием из стекла с высоким показателем преломления n1 = 1,8 ÷ 1,9. На
верхней плоской поверхности полушария помещается капля жидкости с показателем преломления n2, а на нее сверху накладывается пластинка исследуемого
кристалла с неизвестным показателем преломления n. При этом должно выполняться условие
n < n2 < n1 .
(5)
Жидкость служит для вытеснения воздушной прослойки между полушарием и исследуемой кристаллической пластинкой. Плоскопараллельный слой
не оказывает влияния на прохождение луча света (на величину углов падения α
и преломления γ) (рис. 5).
Осуществить рефрактометрический метод можно двумя способами: направить луч света так, чтобы происходило отражение луча от границы раздела
двух сред (рис. 6) или преломление луча на этой границе (рис. 7).
При освещении полушария снизу получается ход лучей, показанный на
рис. 6. Все лучи, падающие из полушария на пластинку под углами больше
11
предельного угла αпред, целиком отражаются от пластинки – полное внутреннее
отражение, а те, которые падают под углами меньше предельного, только частично отражаются от нее (основная доля лучей преломляется). В результате
формируется граница света и полутени – граница между светлой областью,
освещенной лучами при полном внутреннем отражении, и более темной областью, освещенной только лучами частичного внутреннего отражения (см.
рис. 6). Граница света и полутени точно соответствует предельному углу βпред.
а
б
Рис. 5. Ход лучей на границах раздела сред с различным показателем преломления (n < n2 < n1) без промежуточной жидкости (а) и с ней (б)
Рис. 6. Формирование границы света и полутени. Ход лучей в полусфере рефрактометра при отражении света от границы раздела двух сред
12
На рис. 7 показан ход лучей в рефрактометре при освещении сверху, со
стороны пластинки. В этом случае темная и светлая области меняются местами,
причем здесь получается полная, а не относительная темнота.
Рис. 7. Формирование границы света и тени. Ход лучей в полусфере рефрактометра при преломлении света на границе раздела двух сред
Рефрактометр состоит из стеклянного полушария и зрительной трубы со
шкалой и штативом, который позволяет осуществлять поворот полушария в
вертикальной (в плоскости падения луча света) и горизонтальной (в плоскости полированной поверхности образца) плоскостях. При этом центр полушария остается на оптической оси зрительной трубы.
Зрительная труба предназначена для поиска и наблюдения границы света
и тени (рис. 8). Шкала зрительной трубы градуируется в соответствии с показателем преломления исследуемой пластины n с использованием соотношения
n = n1 sin γ пред ,
(6)
где n1 – показатель преломления полушария из стекла.
Для измерения показателя преломления кристалла используют следующую методику:
1) выбирают метод освещения: преломление света через или отражение света
от исследуемого кристалла;
2) наблюдая за изображением в поле зрения окуляра зрительной трубы, поворотом измерительного полушария в вертикальной плоскости добиваются
появления изображения границы света и тени (см. рис. 8);
3) в случае использования источника белого света, компенсируют радужное
13
окрашивание границы раздела1;
4) совмещают границу раздела света и тени с перекрестием нитей в окуляре
зрительной трубы и производят отсчет по нониусу предельного угла γ (или
показателя преломления n).
а
б
в
г
Рис. 8. Изображения границ света и тени в поле зрения окуляра зрительной
трубы рефрактометра, формируемые лучами, проходящими через изотропную (а) и анизотропную (б) среды. Использование накладного на
окуляр поляроида (в) позволяет наблюдать обе границы раздельно (г)
Этот метод можно использовать для измерения показателя преломления
как твердого тела, так и жидкости. Для этого используют полую призму, изготовленную из плоскопараллельных стеклянных пластин, которую заполняют
исследуемой жидкостью.
В отличие от изотропных кристаллов (см. рис. 8а), у анизотропных можно видеть в поле зрения две границы, соответствующие показателям преломления двух волн, распространяющихся в кристалле вдоль полированной поверхности в плоскости наклона зрительной трубы (см. рис. 8б).
Рис. 9. Оптическая индикатриса двуосного кристалла
1
Для этой цели обычно пользуются системой компенсаторов, устраняющих неизбежное проявление дисперсии света при явлениях преломления и отражения.
14
У одноосных кристаллов эти две границы соответствуют обыкновенному
и необыкновенному показателям преломления. Используя накладной поляроид,
можно наблюдать обе границы раздельно, делая их более резкими1 (см. рис.
8в, г). У двуосных кристаллов, отполированных по плоскости симметрии индикатрисы (ОАО′А′) (рис. 9) также наблюдается в поле зрения две границы.
На кристалле, показатели преломления которого должны быть измерены,
необходимо отполировать одну плоскую поверхность, а ей перпендикулярную
матовую плоскость обратить к источнику света.
Иммерсионный метод
Метод погружения предполагает помещение кристаллического порошка
в жидкие среды с заранее известным светопреломлением и изучение оптических констант кристаллов. Основным оптическим прибором для определения
показателя преломления кристаллов этим методом является поляризационный
микроскоп. К оптическим принадлежностям относится набор жидкостей с известными показателями преломления.
Метод центрального освещения
Иммерсионный метод основан на явлении исчезновения видимости границ исследуемого кристалла, погруженного в иммерсионную жидкость. Почти
все обломки, употребляемые обычно при работах по иммерсионному методу,
тоньше по краям, чем в центре, и если эти обломки отличаются от окружающего материала по показателю преломления, то по отношению к пучку параллельных лучей, исходящих из конденсора, они должны действовать как малые
несовершенные линзы.
Если такая линза имеет более высокий показатель преломления, чем жидкость, в которую он погружен, то световой фокус будет располагаться выше
плоскости зерна, поэтому, если объектив микроскопа, первоначально сфокусированный на зерно, поднять выше, внутренняя часть зерна будет казаться сильнее освещенной. При дальнейшем подъеме тубуса микроскопа этот сильно освещенный участок зерна сокращается и становится ярче: яркая полоска (полоска Бекке) передвигается внутрь зерна.
Когда зерно имеет более низкий показатель преломления по сравнению с
окружающей жидкостью, то истинный фокус оказывается ниже плоскости зерна и возникает обратная картина: зерно освещается в центре при опускании тубуса микроскопа ниже фокуса.
1
Повышение контраста достигается тем, что поляроид пропускает только линейно
поляризованный луч света. А поскольку в анизотропном кристалле наблюдается явление линейного двойного лучепреломления, то, вращая поляроид вокруг оптической
оси зрительной трубы, можно погасить один из лучей. Поворот поляроида на 90°
позволит наблюдать границу света и тени, сформированную только вторым лучом.
15
Более точное объяснение наблюдаемым явлениям можно дать с использованием явления интерференции между двумя параллельными лучами, один
из которых проходит через кристалл, а другой – через жидкость.
Меняя иммерсионные жидкости до тех пор, пока не исчезнет полоска
Бекке, измеряют показатель преломления образца кристалла по показателю
преломления последней использованной иммерсионной жидкости. На практике
такие эксперименты проводят с объективами с фокусным расстоянием 8 мм.
Конденсор микроскопа либо убирают совсем, либо прикрывают его диафрагму.
Метод дисперсии
Точность измерения показателей преломления можно повысить
(до ±0,001), если использовать дисперсионные зависимости иммерсионных
жидкостей. Для этого необходимо использовать монохроматический свет с
возможностью регулирования длины волны света.
Дисперсия жидкостей чаще всего больше дисперсии кристаллов, поэтому
если дисперсионные кривые иммерсионных жидкостей достаточно близки одна
к другой, то всегда можно подобрать такую пару жидкостей, дисперсионные
кривые которых пересекали бы дисперсионную кривую кристалла в видимой
области спектра. Если для какой-либо длины волны λ1 (рис. 10) показатели преломления жидкости и кристалла одинаковы, то для лучей этой длины волны
жидкость и кристалл представляют собой оптически однородную среду. Дифракционных явлений на краях кристалла не возникает и контуры кристалла не
видны. Однако на практике из-за загрязнения поверхности или большей прозрачностью кристалла по сравнению с жидкостью граница остается заметной.
Рис. 10. Дисперсионные кривые кристалла К (для одного луча) и иммерсионных жидкостей Ж1 и Ж2
Исследуемый кристалл погружается в жидкость с несколько большим
средним показателем преломления nD в белом свете (средняя длина волны
16
λ = 589,3 нм соответствует спектральной линии натрия), чем у кристалла. Показатели преломления обеих сред выравнивают при некоторой длине волны λ1.
После этого кристалл помещается в жидкость с несколько меньшим показателем преломления и показатели преломления обеих сред выравнивают при другой длине волны λ2.
Такая методика позволяет определить показатель преломления кристалла
для двух и более длин волн, а так как дисперсионная кривая большинства кристаллов представляет собой почти прямую линию, то показатель преломления
для любой другой длины волны может быть найден затем графически.
Устройство рефрактометра
В настоящей работе для измерения показателей преломления как жидких,
так и твердых тел используется рефрактометр ИРФ-22. Он состоит из корпуса,
измерительной головки (рис. 11) и зрительной трубы с отсчетным устройством.
Рис. 11. Схема измерительной головки рефрактометра ИРФ-22.
Измерительная головка состоит из двух призм: осветительной (1) и измерительной (2). Между призмами помещен слой жидкости. ABCDEF – траектория светового луча, α … α′′′ – углы падения, γ … γ′′′ – углы преломления, ϕ –
преломляющий угол призмы, γпред – предельный угол преломления луча, выходящего из призмы, при условии, что α′′ = 90°. Грань ОО′ (см. рис. 11) осветительной призмы выполнена матовой для рассеяния преломленных лучей. Устройство данного прибора не позволяет осуществлять поворот призм в «горизонтальной» плоскости, что усложняет исследование анизотропных сред.
17
Для устранения влияния дисперсии (радужного окрашивания границы
света и тени) при измерении в белом свете на результаты измерений в рефрактометре предусмотрен компенсатор, состоящий из двух призм прямого зрения
(призм Амичи), которые могут вращаться в противоположных направлениях и
образуют оптическую систему с переменной дисперсией.
Подготовка к проведению измерений
У кристалла должна быть отполирована одна грань. У кристаллов оптически изотропных и у одноосных кристаллов эта грань может быть ориентирована произвольно1. У двуосных кристаллов нужно совместить полированную
плоскость с одной из плоскостей симметрии оптической индикатрисы, что позволит измерить три главных показателя преломления кристалла.
В случае использования методики измерения, показанной на рис. 11, необходимо создать матовую плоскость, перпендикулярную полированной грани,
для получения рассеянного света, проходящего через кристалл. Матовая плоскость образца должна быть обращена к источнику света. При этом луч света от
источника нужно стараться сделать скользящим к границе раздела кристалл/жидкость2. Скользящее освещение облегчает поиск границы преломления
под предельным углом (явление, обратное полному внутреннему отражению).
Однако его применение иногда приводит к бóльшей ошибке, чем при измерении в отраженном свете, так как внутрь кристалла часто не могут проникнуть
лучи, строго параллельные его полированной поверхности. Скользящим освещением можно пользоваться в тех случаях, когда исследуемый кристалл прозрачен и края его не препятствуют проникновению скользящих лучей.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
(рефрактометрический метод)
А. Измерение показателей преломления
и средней дисперсии жидкостей
1. Нанесите на плоскую поверхность измерительной призмы пипеткой
несколько капель исследуемой жидкости, полностью заполнив зазор между осветительной и измерительной призмами
2. Вращая измерительную головку вокруг оси, перпендикулярной оптической оси зрительной трубы, найдите границу светлого и темного полей.
1
При условии, что есть возможность вращать кристалл вокруг нормали к указанной
плоскости (измерительная призма рефрактометра в виде полушария с двумя степенями свободы).
2
Имеется в виду промежуточная жидкость между исследуемым кристаллом и стеклянным полушарием.
18
3. Устраните радужное окрашивание границы с помощью компенсатора.
4. Совместите границу с перекрестием нитей в окуляре зрительной трубы
и снимите отсчет по шкале показателей преломления – определите nD.
5. Измерьте величину средней дисперсии nF – nC с помощью компенсатора (см. описание прибора ИРФ-22).
Б. Измерение показателей преломления
и средней дисперсии изотропного твердого тела
1. Нанесите на плоскую поверхность измерительной призмы стеклянной
палочкой каплю жидкости (α-монобромнафталин).
2. Исследуемое твердое тело установите полированной плоскостью на
поверхность измерительной призмы (осветительная призма при таких измерениях не задействована), а боковой матовой гранью – к осветителю.
3. Вращая измерительную головку, найдите границу светлого и темного
полей. Убедитесь, что в поле зрения находится действительная граница раздела
света и тени, а не изображение края зеркала или другого предмета, ограничивающего источник света.
4. Устраните радужное окрашивание границы с помощью компенсатора.
5. Точно совместите границу с перекрестием нитей в окуляре зрительной
трубы и снимите отсчет по шкале показателей преломления – определите nD.
6. Измерьте величину средней дисперсии nF – nC с помощью компенсатора (см. описание прибора ИРФ-22).
В. Измерение показателей преломления
и средней дисперсии анизотропного твердого тела
1. Исследуемый кристалл установите полированной плоскостью на поверхность измерительной призмы (осветительная призма при таких измерениях
не задействована), а боковой матовой гранью – к осветителю.
2. Вращая измерительную головку вокруг оси, перпендикулярной оптической оси зрительной трубы, убедитесь, что в поле зрения зрительной трубы находятся две границы светлого и темного полей.
3. Устраните радужное окрашивание границ с помощью компенсатора.
4. Точно совместите сначала одну границу с перекрестием нитей в окуляре зрительной трубы и снимите отсчет по шкале показателей преломления –
определите ng, а затем – вторую границу (np).
5. Измерьте величину средней дисперсии nF – nC с помощью компенсатора (см. описание прибора ИРФ-22).
19
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулируйте причины дисперсии света.
2. На каком физическом явлении основан рефрактометрический метод измерения показателя преломления?
3. В чем заключается иммерсионный метод измерения показателя преломления?
4. Что представляет собой гониометрический метод измерения показателя
преломления?
5. Сформулируйте главные преимущества и недостатки каждого из методов
измерения показателя преломления.
6. Нарисуйте изображение в поле зрения окуляра для каждого из методов, при
формировании которого производится измерение.
7. Каковы требования к подготовке образцов для исследования каждым из методов?
8. Оцените погрешности измерения в каждом из методов.
9. Как можно измерить среднюю дисперсию кристалла?
Библиографический список
1. Ахманов С. А. Физическая оптика / С. А. Ахманов, С. Ю. Никитин. – 2-е изд.
– М. : Изд-во МГУ, 2004. – 656 с.
2. Королев Ф. А. Оптика, атомная и ядерная физика / Ф. А. Королев. – М. :
Просвещение, 1974. – 608 с.
3. Ландсберг Г. С. Оптика / Г. С. Ландсберг. – М. : Физматлит, 2003. – 848 с.
4. Саржевский А. М. Оптика. Полный курс / А. М. Саржевский. – 2-е изд. –
М. : УРСС, 2004. – 608 с.
5. Сивухин Д. В. Общий курс физики : в 5 т. Т. 4. Оптика : учеб. пособие /
Д. В. Сивухин. – Изд. 3-е, стер.– М. : МФТИ, ФМЛ, 2002. – 792 с.
6. Белянкин Д. С. Кристаллооптика / Д. С. Белянкин. – М. : Госгеолиздат, 1951.
– 128 с.
7. Меланхолин Н. М. Методы исследования оптических свойств кристаллов /
Н. М. Меланхолин. – М. : Наука, 1970. – 156 с.
8. Прикладная физическая оптика / И. М. Нагибина, В. А. Поскалев, Н. А. Полушкина, В. Л. Рудин. – М. : Высш. шк., 2002. – 565 с.
9. Татарский В. Б. Кристаллооптика и иммерсионный метод исследования
минералов / В. Б. Татарский. – М. : Недра, 1965. – 306 с.
10. Креопалова Г. В. Оптические измерения / Г. В. Креопалова, Н. Л. Лазарева,
Д. Т. Пуряев ; под общ. ред. Д. Т. Пуряева. – М. : Машиностроение, 1987.
– 264 с.
20
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
3
Лабораторная работа
«Измерение показателей преломления и средней дисперсии
кристаллов»
4
Введение
4
Гониометрический метод
7
Рефрактометрический метод
10
Иммерсионный метод
14
Устройство рефрактометра
16
Подготовка к проведению измерений
17
Порядок выполнения работы
(рефрактометрический метод)
17
Контрольные вопросы
19
Библиографический список
19
21