测量胶体、固体和液体折射率的简易方法技术

本发明专利技术是一种测量折射率的简易方法。用激光束掠射平整的、不易变形的、对激光散射好的人造散射面，显示被测材料与空气界面的入射激光束。在胶体中利用它存在的丁达尔效应显示折射激光束；在被测透明固体和透明液体中，利用折射激光束对磨毛观测面的掠射显示折射激光束。界面上的反射激光束也掠过人工散射面和和入射光束同时显示出来。利用入射角与反射角相等的原理，入射光线和反射光线夹角的分角线即为被测材料与空气界面的法线。由此测定胶体、透明固体、透明液体的入射角、折射角，用折射角定律计算出它们的折射率。

A simple method for measuring refractive index of colloid, solid and liquid

【技术实现步骤摘要】
测量胶体、固体和液体折射率的简易方法
本专利技术为材料的物理参数测量技术，具体为一种测量胶体、固体和液体折射率的方法。
技术介绍
折射率是描述材料特性的一个重要物理参数。测量折射率有插针法、最小偏向角法、干涉法和阿贝折射仪等，插针法要求测量样品是两面平行的厚平板；最小偏向角法要把被测材料加工成三角棱镜，再用分光计测量最小偏向角，显然它的测量对象只能是透明固体；干涉法中例如迈克尔逊干涉仪，测量对象是薄膜和透明薄片，干涉仪的操作有一定难度，因此对实验者也提出了较高要求；阿贝折射仪是最经典的折射率测量方法，经过多年的改进，越来越完善，它测量精度高，不仅可测液体折射率，还可测固体折射率，但折射率范围有一定限制(约在1.3至1.7之间)，而且在测固体时要把样品加工成一定面积的光学平面，再者它是一台精密仪器，价格也是比较高的。以上所说的测量方法是针对液体和固体的。测量胶体折射率，尤其是凝胶折射率的方法和仪器尚未见报导。而胶体在工业生产中经常遇到，如冶金工业中的选矿、污水处理、石油原油的脱水、纳米材料的制备、部分中西药注射液的制备、塑料和橡胶的制备都会遇到胶体问题。而在食品工业中的阿胶、鹿角胶、果胶、明胶、琼脂和果冻等是常见的凝胶。胶体的折射率是随分散质的浓度而变的，在胶体溶液的胶凝过程中折射率也有变化。因此有一个简易的到处可用的胶体折射率测量方法，不仅有助于胶体研究，也有助于工业生产中胶体成份的监控。本专利技术除适用于胶体折射率测量外，也适用于透明固体和透明液体的折射率测量。本专利技术中使用了激光束来显示光线传播的路径，这是因为激光的发散角小，方向性好，而且此实验中总光程只有几十厘米，因为离激光器出射口近，所以其光束不会发散得很厉害。光束直径和光斑约为毫米量级。用它显示入射光线和折射光线的痕迹是很适宜的。实验室用的激光器配备专用电源，价格较高。我们采用市场上容易购得的激光指示器(LaserPointer，俗称激光笔)产生的激光束，激光笔能用电池驱动，使用也比较灵活，并且携带方便，价格低廉。还有一个优点，就是对被测样品制作要求很低，被测样品只要有几个平方毫米的平整界面供激光入射即可。因此用它结合散射源来实现入射角和折射角的显示和测量是合适的。我们都有经验，当PPT报告使用者使用激光笔时，我们只能看到激光束落在屏幕上的光斑，而无法看到它射出的激光束。这是因为它的强度太低，而空气中又没有足够的散射源把激光散射到听众眼中。如果在激光传播的途中扬起一阵灰尘，或者加点烟雾或蒸汽，则激光束隐隐可见。但这种散射源是不稳定的，一阵风吹来，吹跑了灰尘和烟雾，激光束又不见了。同样的道理，激光笔射出的光束经过纯净液体(如纯净水)和透明固体(如玻璃、水晶等)时，是看不见光束的。所以我们必须加进人为的稳定的散射源，使激光束的路径清晰可见。散射源如何制作将在
技术实现思路
中介绍。
技术实现思路
一、胶体的折射率测量：这里是指液溶胶及其凝胶，还有固溶胶，暂不包括气溶胶。在一块3mm厚的有机玻璃板上用不干胶平整地贴上牛皮纸作为人造散射板。将它悬空固定，其下方放置待测样品。待测样品可以是胶体溶液或其凝胶，它们是装在1个宽65mm，高100mm厚25mm的样品盒中。盒顶开口，以便激光束入射在被测胶体和空气的界面上；如果待测样品是固凝胶，如有色玻璃板，在其顶部必须要磨平和抛光几个平方毫米的平面，以供激光束入射。当激光束一边边缘掠过人造散射板入射到液溶胶或固溶胶顶端时，可显示其入射光束。掠射后剩下的大部分激光束射在空气与被测胶体的界面上，产生折射由于胶体的丁达尔效应，激光束在胶体中的折射光束清晰可见。同时也可在散射板上观察到界面的反射光束。为了避免被测量界面偏离水平而引起测量误差，利用反射定律中入射角与反射角相等的原理，本实验用直径为150mm的圆形量角器在前表面测量入射角时，具体操作如下：首先将量角器的原点对准激光束在界面落点的中心，稍微转动量角器使入射光束和反射光束有左右对称的读数，例如入射光束在第一象限，入射线读数为50°，反射光线在第三象限，读数也为50°，则量角器的90°线即为被测界面的法线。此时折射光束与90°线的夹角就是折射角γ，入射光束与90°线的夹角为入射角i，由折射定理计算被测胶体折射率为n＝sini/sinγ。在这个测量中，悬空的人造散射板和胶体溶液或凝胶的被测界面不接触，相隔约毫米量级，因此这是一种无损检测，以免两者的接触对胶体溶液表面的破坏，从而保证了反射光束和折射光束的方向不受干扰。透明固体折射率测量：例如透明的玻璃板。它的折射率测量类似于固凝胶中的含杂质的有机玻璃板的折射率测量，也要在它的顶端磨平抛光出一个几个平方毫米的平面，以供激光入射，它与固凝胶所不同的是它不存在丁达尔效应，激光束的折射光束是不可见的，因此必须将它的前表面(观测面)磨毛来显示折射光束。具体操作方法如下，激光束掠过悬空的人造散射面，显示入射光束。剩余激光束射在放置于下方的被测透明固体上。透明固体磨毛的观测面比悬空人造散射板的散射面要凸出一些(约毫米量级)。前后移动被测透明固体，即调节这个凸出量的多少，使激光束在透明固体中的折射光线最为清晰。这意味着其折射光束经过透明固体磨毛的观测产生了散射而显示出折射光束。然后我们就可以用圆形量角器原点对准激光束在透明固体上的落点，转动量角器使入射光线和反射光线有相同读数，从而找出被测界面的法线。然后测出入射角和折射角，以计算出被测透明固体的折射率。它是一块透明碎玻璃，形状不规则。对样品形状和加工要求低，测量工具只是一支激光笔和一块散射板。这正是这一测量方法的优点。它使这种方法特别适合野外矿石等的测量。二、透明液体折射率测量：因为纯净液体(如纯净水)和真溶液不存在丁达尔效应，它的折射光线是看不见的。因此它的测量装置有些改变。装置是一个装待测液体的类似于金鱼缸的透明盒子，可以用玻璃或有机玻璃制作。本实验中的盒子是盒内宽150mm，厚40mm，高120mm，盒壁厚5mm，顶端开口，盒子内两侧壁开槽，以便垂直于液面插入磨毛的的、当中开孔(直径30mm)的有机玻璃板(厚3mm，大小为150mm*150mm)作为散射面。散射板当中开孔的原因是在被测液体中磨毛的有机玻璃和液体存在毛细现象而产生弯月面，当激光束沿着散射板掠入射时，往往是射在一个曲面上，因而引起反射光和折射光对入射面的偏离。在散射板当中开孔，以保证入射激光束在液面落点周围的液面保持水平。也是为了同一原因，插入的散射板离盒子前面板的内侧也有几毫米，以避免盒子内壁的弯月面对激光束反射光线和折射光线的影响。盒中注入待测透明液体，其液面高度大致淹没孔的一半，调节激光束使落点在圆孔中央。为协助进一步确定激光束在液面的落点位置，在散射板圆孔上方用磁铁安装了一枚垂直度、左右和高低位置可调的尖针，针尖刚好在液面上方但又不与液面接触。在尖针的协助下确定激光束在液面的落点后，圆形量角器的原点对准激光束在液面落点的中心，转动量角器，使入射光和反射光有相同读数，从而找出液面的法线，然后测出入射、折射角，再计算出折射率。在胶体、透明固体和透明液体的折射率测量中，增大圆形量角器的直径(例如至米量级)，同时增大被测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种折射率的简易测量方法，使用激光束在人造散射面上的掠射和被测材料中的散射来显示光线的传播路径，以实现材料和空气界面的入射角和折射角的测量，从而实现材料折射率测量的方法，具体可测材料和方法是：/n(1)基于权利要求1所提出的方法，对于胶体溶液、胶体溶液的凝胶、固凝胶，用激光束掠射人造散射面显示胶体——空气界面的入射光束；利用胶体的丁达尔效应显示掠射后剩余的进入胶体折射的激光束，以实现入射角和折射角的测量，用折射定理计算出待测胶体折射率。/n(2)基于权利要求1所提出的方法，对于待测透明固体，磨出一个几个平方毫米的抛光平面供激光束入射，并将与上述小平面垂直的前表面细砂磨毛，作为观测面，激光束进入被测透明固体，折射后在磨毛的观测面上掠射，显示折射激光束，以实现入射角和折射角的测量，从而测定透明固体的折射率。/n(3)基于权利要求1所提出的方法，对于透明液体，在一个透明的盛放被测液体盒中，插入一块磨毛的人造散射板，激光束掠射此板露出液面的上半部分，显示入射激光束，掠射后剩余激光束进入被测液体，产生折射，折射光线掠过人造散射板浸入液体的部分显示折射光束，以实现入射角和折射角的测量，从而测定透明液体的折射率。/n...

【技术特征摘要】
1.一种折射率的简易测量方法，使用激光束在人造散射面上的掠射和被测材料中的散射来显示光线的传播路径，以实现材料和空气界面的入射角和折射角的测量，从而实现材料折射率测量的方法，具体可测材料和方法是：
(1)基于权利要求1所提出的方法，对于胶体溶液、胶体溶液的凝胶、固凝胶，用激光束掠射人造散射面显示胶体——空气界面的入射光束；利用胶体的丁达尔效应显示掠射后剩余的进入胶体折射的激光束，以实现入射角和折射角的测量，用折射定理计算出待测胶体折射率。
(2)基于权利要求1所提出的方法，对于待测透明固体，磨出一个几个平方毫米的抛光平面供激光束入射，并将与上述小平面垂直的前表面细砂磨毛，作为观测面，激光束进入被测透明固体，折射后在磨毛的观测面上掠射，显示折射激光束，以实现入射角和折射角的测量，从而测定透明固体的折射率。
(3)基于权利要求1所提出的方法，对于透明液体，在一个透明的盛放被测液体盒中，插入一块磨毛的人造散射板，激光束掠射此板露出液面的上半部分，显示入射激光束，掠射后剩余激光束进入被测液体，产生折射，折射光线掠过人造散射板浸入液体的部分显示折射光束，以实现入射角和折射角的测量，从而测定透明液体的折射率。


2.基于权利要求1中，对入射角和折射角测量时确定被测材料与空气界...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怡宁，
申请(专利权)人：张怡宁，
类型：发明
国别省市：上海;31