Метод рефрактометрии

Метод рефрактометрии предельного угла

Показатели преломления важнейшая характеристика оптических сред. В основу большинства рефрактометрических методов (методов исследования показателей преломления) положен эффект преломления луча света при его прохождении через границу раздела двух сред, который описывается классическим соотношением:

n₁ x sin i₁ = n₂ x sin i₂, (1)

где i₁ угол падения света в первой среде, i₂ угол преломления во второй среде, n₁ и n₂ показатели преломления света в первой и во второй среде, соответственно. В анизотропных средах величина показателя преломления зависит от взаимной ориентации оптической индикатрисы, направления распространения света и его поляризации.

Метод предельного угла

Одним из наиболее простых и доступных является метод предельного угла с использованием технической схемы Аббе, на основе которого созданы серийные отечественные рефрактометры ИРФ-22 и более современная модификация ИРФ-454 для измерения показателей преломления твердых тел и жидкостей. Особенности рефрактометров Аббе заключаются в устройстве измерительной призмы, наличии дополнительной осветительной призмы, использовании для измерений "белого" (дневного или искусственного) света и в конструкции шкалы. Прибор имеет измерительную призму из тяжелого флинта. Капля исследуемой жидкости помещается на гипотенузную (входную) грань этой призмы и прижимается вспомогательной (осветительной) призмой так, что между гипотенузными гранями обеих призм остается тонкий слой жидкости (см. рис. 1а). Направленный на осветительную призму свет проходит в жидкость, преломляется на гипотенузной грани измерительной призмы и, выходя из нее, попадает в зрительную трубу. Наблюдаемый в такой системе граничный луч (граница между темной и светлой областью) соответствует предельному лучу полного внутреннего отражения. При наблюдении в белом свете вследствие дисперсии (зависимости показателя преломления от длины волны света) вместо резкой границы светотени получается размытая полоса с радужной окраской. Для устранения этого эффекта служит компенсатор дисперсии, устанавливаемый перед объективом зрительной трубы и рассчитанный на измерение показателей преломления для длины волны светового излучения λ = 0.589 мкм.

В этом случае соотношение (1) упрощается, поскольку угол падения i₁ равен 90°. Запишем (1) в виде:

sin φ = n / N (2)

где φ угол преломления предельного луча на гипотенузной грани измерительной призмы (см. рис. 1а), а N показатель преломления измерительной призмы. Таким образом, для определения показателя преломления исследуемого вещества необходимо лишь измерить величину угла φ. Прохождение света через выходную грань измерительной призмы усложняет расчетную формулу, однако рефрактометр отградуирован так, что при совмещении граничного луча с перекрестием линий в зрительной трубе шкала прибора показывает искомое значение показателя преломления образца.

Процесс измерений усложняется при исследовании жидких кристаллов. Вследствие оптической анизотропии одноосные жидкие кристаллы характеризуются двумя показателями преломления: no и ne для обыкновенного и необыкновенного луча, соответственно. Наиболее удобно для измерений сориентировать одноосный ЖК гомеотропно, т.е., чтобы оптическая ось была перпендикулярна гипотенузной грани измерительной призмы. Для ряда мезоморфных соединений, молекулы которых имеют большой продольный диполь (например, 5ЦБ и других производных цианобифенилов) такая ориентация ЖК реализуется без всякой дополнительной обработки очищенной поверхности измерительной призмы. Другие ЖК можно ориентировать гомеотропно, обработав поверхность соответствующим сурфактантом, например, раствором лецитина. При невозможности получения гомеотропной ориентации можно использовать планарно ориентированный слой ЖК, располагая директор перпендикулярно ходу луча. И в том, и в другом случае луч света, проходя через призменный блок, распадается на два луча (см. рис. 1б), каждому из которых соответствует свой предельный угол преломления:

sin φ_o,e = n_o,e/ N (3)

Рис. 1. Прохождение света через призменный блок рефрактометра Аббе при измерении: а) изотропной жидкости и б) гомеотропно ориентированного слоя одноосного жидкого кристалла. 1 – измерительная призма, 2 – слой изотропной жидкости, 3 – осветительная призма, 4 – слой жидкого кристалла.

В поле зрительной трубы будут, соответственно, наблюдаться две границы раздела, которые удобно идентифицировать, используя дополнительную насадку с поляризатором на окуляр рефрактометра. Если выполнено условие ортогональности вектора световой волны и директора ЖК, то будут измерены показатель преломления обыкновенного луча n_o, часто обозначаемый как n_⊥, и максимальное значение n_|| показателя преломления ne необыкновенного луча. Необходимо иметь ввиду, что иные варианты взаимной ориентации световой волны и директора ЖК приведут к определению значений n_e, лежащих в диапазоне от n_⊥ до n_|| и зависящих от угла θ. Неоднородность в ориентации ЖК слоя приводит к увеличению светорассеяния, уширению границ раздела, и, как следствие, возрастанию погрешности измерений.

При измерении показателей преломления полимера, стекол, твердых кристаллов могут быть использованы готовые образцы, которые прикладывают к входной грани измерительной призмы, предварительно нанеся на нее каплю соответствующей иммерсионной жидкости. Можно обойтись без иммерсионной жидкости, если есть возможность сформировать полимерную пленку непосредственно на измерительной призме. Например, растворить полимер в каком-либо летучем растворителе, налить раствор на гипотенузную грань призмы и подождать необходимое время для полного испарения растворителя.

Стабилизация температуры обеспечивается циркуляцией воды или масла через специальные камеры в измерительной головке рефрактометра, которая гибкими шлангами соединяется с термостатом. Температура исследуемого вещества контролируется с помощью термометра, встроенного в измерительную головку рефрактометра, а также медь-константановой термопары, э.д.с. которой определяется миливольтметром. Погрешность измерений составляет 0.1°С. В измеряемые значения n вводится температурная поправка по известной методике.

Таким образом, использование рефрактометра предельного угла, например, ИРФ-22, дает возможность измерить температурные зависимости показателей преломления в интервале значений 1.3-1.7 для λ = 0.589 мкм с погрешностью 0.0005.