折光率

根據折射定律，折光率n是光線入射角i的正弦與折射角r的正弦的比值，即：

式中，n為折光率，sin i為光線的入射角的正弦，sin r為光線的折射角的正弦 ^[2]  。

物質的折光率與温度和入射光波長有關。透光物質的温度升高，折光率變小；入射光的波長越短，折光率越大。折光率以n表示，D為鈉光譜的D線， t 為測定時的温度。

折光率定義： n＝c/v。其中，v表示在不同介質裏的光速。比如：光在玻璃裏的速度是在真空中的0.5倍，那麼玻璃相對真空的折光率為2。

物質的折光率因温度或光線波長的不同而改變。透光物質的温度升高，折光率變小；光線的波長越短，折光率越大。作為液體物質純度的標準，折光率比沸點更為可靠。利用折光率，可以鑑定未知化合物，也用於確定液體混合物的組成。所以濃度也應該可以測出。事實上有大量經驗數據，對照相應表格可以進行該項試驗。

光線自一種透明介質進入另一透明介質的時候，由於兩種介質的密度不同，光的傳播速度發生變化，即發生折射現象，一般折光率指光線在空氣中進行的速度與供試品中進行速度的比值。 根據折射定律，折光率是光線入射角的正弦與折角的正弦之比，即：n＝sin i/sin r。式中，n為折光率，sin i 為光線入射角的正弦，sin r 為折射角的正弦。

折光率是有機化合物最重要的物理常數之一，它能精確而方便地測定出來，作為液體物質純度的標準，它比沸點更為可靠。利用折光率，可鑑定未知化合物。如果一個化合物是純的，那麼就可以根據所測得的折光率排除考慮中的其它化合物，從而識別出這個未知物來。

折光率也用於確定液體混合物的組成。在蒸餾兩種或兩種以上的液體混合物且當各組分的沸點彼此接近時，那麼就可利用折光率來確定餾分的組成。因為當組分的結構相似和極性，混合物的折光率和物質的量組成之間常呈線性關係。例如，由1mol四氯化碳和1mol甲苯組成的混合物，為1.4822，而純甲苯和純四氯化碳在同一温度下分別為1.4944和1.4651。所以，要分餾此混合物時，就可利用這一線性關係求得餾分的組成 ^[3]  。

物質的折光率不但與它的結構和光線波長有關，而且也受温度、壓力等因素的影響。所以折光率的表示須註明所用的光線和測定時的温度，常用n表示。D是以鈉燈的D線（5893A0）作光源，t是與折光率相對應的温度。例如，表示20℃時，該介質對鈉燈的D線的折光率。由於通常大氣壓的變化，對摺光率的影響不顯著，所以只在很精密的工作中，才考慮壓力的影響。一般地説，當温度增高1℃時，液體有機化合物的折光率就減小3.5×10^-4~5.5×10^-4。某些液體，特別是測求折光率的温度與其沸點相近時，其温度係數可達7×10^-4。在實際工作中，往往把某一温度下測定的折光率換算成另一温度下的折光率。為了便於計算，一般用4×10^-4為温度變化常數。這個粗略計算所得的數值可能略有誤差，但卻有參考價值。

一般地説，光在兩個不同介質中的傳播速度是不相同的。所以，光線從一個介質進入另一個介質，當它的傳播方向與兩個介質的界面不垂直時，則在界面處的傳播方向發生改變。這種現象稱為光的折射現象。根據折射定律，波長一定的單色光線，在確定的外界條件（如温度、壓力等）下，從一個介質A進入另一個介質B時，入射角i和折射角r的正弦之比和這兩個介質的折光率N（介質A的）與n（介質B的）成反比，即：若介質A是真空，則定其N＝1，n 為介質的絕對摺光率，所以一個介質的折光率就是光線從真空進入這個介質時的入射角和折射角的正弦之比 ^[4]  。通常測定的折光率，都是以空氣作為比較的標準。

當光由介質A進入介質B，如果介質A對於介質B是疏物質，即 n(A)＜n(B)＝1/sin r 也是一個常數，它與折光率的關係是 sinA/sinB＝n(B)/n(A)。很明顯，在一定波長與一定條件下，可見通過測定臨界角 ，就可以得到折光率，這就是通常所用阿貝（Abbe）折光儀的基本光學原理。

為了測定值，阿貝折光儀採用了“半明半暗”的方法，就是讓單色光由 0°~90° 的所有角度從介質A射入介質B，這時介質B中臨界角以內的整個區域均有光線通過，因而是明亮的；而臨界角以外的全部區域沒有光線通過，因而是暗的，明暗兩區域的界線十分清楚。如果在介質B的上方用一目鏡觀測，就可看見一個界線十分清晰的半明半暗的象。

介質不同，臨界角也就不同，目鏡中明暗兩區的界線位置也不一樣。如果在目鏡中刻上一“十”字交叉線，改變介質B與目鏡的相對位置，使每次明暗兩區的界線總是與“十”字交叉線的交點重合，通過測定其相對位置（角度）並經換算，便可得到折光率。而阿貝折光儀的標尺上所刻的讀數即是換算後的折光率，故可直接讀出。同時阿貝折光儀有消色散裝置，故可直接使用日光，其測得的數字與鈉光線所測得的一樣。這些都是阿貝折光儀的優點所在。

阿貝折光儀的使用方法：先使折光儀與恆温槽相連接，恆温後，分開直角稜鏡，用絲絹或擦鏡紙沾少量乙醇或丙酮輕輕擦洗上下鏡面。待乙醇或丙酮揮發後，加一滴蒸餾水於下面鏡面上，關閉稜鏡，調節反光鏡使鏡內視場明亮，轉動稜鏡直到鏡內觀察到有界線或出現彩色光帶；若出現彩色光帶，則調節色散，使明暗界線清晰，再轉動直角稜鏡使界線恰巧通過“十”字的交點。記錄讀數與温度，重複兩次測得純水的平均折光率與純水的標準值（ =1.33299）比較，可求得折光儀的校正植，然後以同樣方法測求待測液體樣品的折光率。校正值一般很小，若數值太大時，整個儀器必須重新校正。

使用折光儀應注意下列幾點：

（1）阿貝的量程從1.3000至1.7000，精密度為±0.0001；測量時應注意保温套温度是否正確。如欲測準至±0.0001，則温度應控制在±0.1℃的範圍內。

（2）儀器在使用或貯藏時，均不應曝於日光中，不用時應用黑布罩住。

（3）折光儀的稜鏡必須注意保護，不能在鏡面上造成刻痕。滴加液體時，滴管的末端切不可觸及稜鏡。

（4）在每次滴加樣品前應洗淨鏡面；在使用完畢後，也應用丙酮或95%乙醇洗淨鏡面，待晾乾後再閉上稜鏡。

（5）對稜鏡玻璃、保温套金屬及其間的膠合劑有腐蝕或溶解作用的液體，均應避免使用。

最後還應當指出，阿貝折光儀不能在較高温度下使用；對於易揮發或易吸水樣品測量有些困難；另外對樣品的純度要求也較高。

一般地説，當温度增高1℃時，液體有機化合物的折光率就減小3.5×10^-4~5.5×10^-4。某些液體，特別是待求折光率的温度與其沸點相近時，其温度係數可達7×10^-4。在實際工作中，往往把某一温度下測定的折光率換算成另一温度下的折光率。為了便於計算，一般把4.5×10^-4作為温度變化常數。這個粗略計算所得的數值可能略有誤差，但卻有參考價值。換言之，折光率隨温度的升高而降低，每變化1℃，折光率大約改變0.00045。我們能夠通過下面的公式計算得到校正到20℃的折光率：

n_D(t) = n_D(20)－0.00045(t－20)。

其中，n_D(t)為在温度為t℃時實驗測得的折光率。這表明在實驗温度高於20℃時，n_D(20)比n_D(t)大；而實驗温度低於20℃時，n_D(20)則比n_D(t)小。

例：已知 n_D(t)＝1.3667， t＝25.2℃，計算 n_D(20)。

由公式 n_D(t)＝n_D(20)－0.00045(t－20)，得

n_D(20)＝1.3667＋0.00045(25.2－20)

=1.3667＋0.00045 × 5.2

=1.36904。

物質的折射率因光的波長而異，波長較長折射率較小，波長較短折射率較大。測定時光源通常為白光。當白光經過稜鏡和樣液發生折射時，因各色光的波長不同，折射程度也不同，折射後分解成為多種色光，這種現象稱為色散。光的色散會使視野明暗分界線不清，產生測定誤差。為了消除色散，在阿貝折光儀觀測鏡筒的下端安裝了色散補償器。

溶液的折射率隨温度而改變，温度升高折射率減小；温度降低折射率增大。折光儀上的刻度是在標準温度20℃下刻制的，所以最好在20℃下測定折射率。否則，應對測定結果進行温度校正。超過20℃時，加上校正數；低於20℃時，減去校正數。