Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (РЕ)"

Рефрактометрия

Рефрактоме'трия (от лат. refractus – преломленный и... метрия), раздел оптической техники, посвященный методам и средствам измерения преломления показателей (ПП) твёрдых, жидких и газообразных сред в различных участках спектра оптического излучения (света). Зная ПП n и его дисперсию (зависимость от длины волны света) D, можно определить и др. величины, зависящие от n и D. Методы Р. разделяются на: 1) методы прямого измерения углов преломления света при прохождении им границы раздела двух сред; 2) методы, в которых используется явление полного внутреннего отражения (ПВО) света; 3) интерференционные методы (см. Интерференция света); 4) фотометрические методы, в которых используется зависимость отражения коэффициента (или коэффициента пропускания) света на границе двух сред от соотношения их ПП (см. Отражение света, Френеля формулы); 5) прочие методы (измерение фокусного расстояния линзы и кривизны её поверхностей для определения ПП её материала, измерение поперечного смещения луча плоскопараллельной пластинкой из исследуемого материала, иммерсионный метод и т.д.). Наиболее распространены первые три из этих групп методов Р.

  Для измерения методами 1-й группы образцу придают форму призмы (см. Дисперсионные призмы) и определяют ПП, добиваясь поворотом призмы того, чтобы угол отклонения луча 8 (рис. 1, а) был минимален. При другом способе измерения n исследуемый образец помещают в специально изготовленную призму с известным ПП N (рис. 1, б). Для измерения ПП жидкостей призматические образцы выполняются полыми и заливаются исследуемой жидкостью. Точность определения ПП этими методами – 10^-5, а разности ПП двух веществ ~ 10^-7. Очень часто используются и методы Р., основанные на явлении ПВО. Образец с измеряемым ПП приводится в оптический контакт с эталонной призмой из материала с высоким и заранее точно измеренным ПП N (рис. 2). Свет может направляться как со стороны образца, так и со стороны призмы. В обоих случаях в определённом (очень узком) интервале углов падения пучка лучей на границу раздела образца и призмы в поле зрения наблюдательной зрительной трубы появится чёткая граница, разделяющая тёмный и светлый участки поля. Один из участков (тёмный при освещении со стороны образца, светлый при освещении со стороны призмы) соответствует лучам, претерпевающим ПВО, а граница этого участка – предельному, или критическому, углу падения луча. Точность метода ПВО ~ 10^-5.

  В интерференционных методах разность ПП сравниваемых сред определяют (рис. 3) по числу порядков интерференции лучей, прошедших через эти среды. Точность этих методов достигает 10^-7—10^-8. Их применяют, например, при измерениях в газах и разбавленных растворах.

  Приборы для определения ПП методами Р. называют рефрактометрами.

  Р. нашла широкое применение в физической химии для определения состава и структуры веществ, а также для контроля качества и состава различных продуктов в химической, фармацевтической, пищевой и многих других отраслях промышленности. Достоинства рефрактометрических методов химического количественного анализа — быстрота измерений, малый расход вещества и высокая точность. Знание градиентовПП позволяет производить расчёт градиентов плотности и концентрации. В некоторых случаях по виду кривых ПП можно делать выводы о характере взаимодействия веществ и образовании соединений. Методы Р. используют при проверке однородности твёрдых образцов и жидкостей, в аэро– и гидродинамических исследованиях. Особую роль играет Р. в оптической промышленности, так как ПП и дисперсия стекла и других оптических материалов являются их важнейшими характеристиками.

  Лит.: Шишловский А. А., Прикладная физическая оптика, М., 1961; Иоффе Б. В., Рефрактометрические методы химии, 2 изд., Л., 1974.

  М. В. Лейкин.

Рис. 2. Измерение показателя преломления (ПП) п с использованием явления полного внутреннего отражения (ПВО). 1—1'; 2—2' – ход лучей при освещении со стороны исследуемого образца (для упрощения рисунка отражённая часть луча 2 не показана). 1—1' – предельный луч, соответствующий углу j_1пво в материале нижней призмы. 3—3'; 4—4'; 5—5' – ход лучей при освещении снизу, со стороны призмы с известным ПП N. 4—4' – предельный луч, при падении которого под углом j_2пво на границу раздела призмы и образца происходит ПВО. А и В – схематические изображения поля зрения наблюдательной трубки при прохождении через неё предельных лучей 1' и 4'. n связан с измеряемым углом b между направлением предельного луча и нормалью к грани призмы формулой , где a – преломляющий угол призмы с известным ПП.

Рис. 1. Определение показателя преломления (ПП) n по отклонению луча в призматических образцах. а – ход луча через призму с преломляющим углом a . Угол отклонения d имеет наименьшую величину при равенстве углов входа луча в призму и выхода из неё: i₁ = i₂ (т. н. симметричный ход луча через призму), n определяют по формуле n. б – ход луча через призму с измеряемым ПП n, помещенную в прямоугольную выемку призмы с известным ПП N; показан наиболее распространённый вариант с преломляющим углом призмы a = 90° и углами g₁ = g₂= 45°. n связан с измеряемым углом b выхода луча соотношением  

Рис. 3. Принцип действия интерференционного рефрактометра. Луч света разделяют так, чтобы две его части прошли через кюветы длиной l, заполненные веществами с различными показателями преломления. На выходе из кювет лучи приобретают определённую разность хода и, будучи сведены вместе, дают на экране картину интерференционных максимумов и минимумов с k порядками (схематически показана справа). Разность показателей преломления Dn = n₂ – n₁ = kl/2, где l – длина волны света.

Рефрактометры

Рефракто'метры, приборы для измерения преломления показателей (ПП) веществ (твёрдых, жидких и газообразных). Различают лабораторные и производственные Р. Последние иногда называются рефрактометрическими датчиками. Лабораторные Р. (о принципах их работы см. Рефрактометрия) используют для анализов, при которых ПП вещества и его дисперсия (зависимость ПП от длины волны излучения) измеряются дискретно. Производственные Р. предназначены для автоматической непрерывной регистрации динамики производственных процессов. Р. могут быть встроены в автоматические линии для регулирования технологического процесса.

  Лит. см. при ст. Рефрактометрия.

Рефрактор

Рефра'ктор, телескоп, снабженный линзовым объективом. Для астрономических наблюдений впервые применен в 1609 Г. Галилеем. Р. используются для визуальных, фотографических, реже спектральных или фотоэлектрических наблюдений. Визуальный Р. содержит объектив и окуляр. Фотографический Р. (часто называется астрографом, или астрономической камерой) представляет собой большой фотоаппарат: в фокальной плоскости его устанавливается кассета с фотопластинкой.

  Объективы Р. содержат не менее двух линз, из которых одна (положительная) изготовлена из лёгкого и оптически менее плотного (с меньшим преломления показателем) стекла, – крона, другая (отрицательная) – из тяжёлого стекла (флинта). Таким путём одновременно исправляют сферическую аберрациюи хроматическую аберрацию Р. В двухлинзовом объективе Р. возможно также исправление комы. Астигматизм и кривизна поля в простом двухлинзовом объективе Р. исправить нельзя, вследствие чего его поле зрения не превышает угла (в градусах) , где D — диаметр объектива (в мм). Зависимость остаточной сферической аберрации от длины волны (сферохроматическая аберрация) вызывает появление вокруг изображений звёзд фиолетового ореола радиусом около 40” (при обычно используемом относительном отверстии Р. 1: 15). Тонкий склеенный объектив Р. практически свободен от хроматизма увеличения, но в несклеенном объективе он заметен и вызывает вытягивание изображений звёзд на краю поля зрения в короткий спектр и появление пурпурного ореола вокруг изображений планет. Двухлинзовый объектив Р. имеет также вторичный спектр, вследствие чего появляются цветные ореолы вокруг изображений звёзд. Линейный диаметр такого ореола в фокальной плоскости обычного двухлинзового объектива Р. составляет около 0,00051), а угловой (в секундах дуги) h = 50D/f, где f — фокусное расстояние (в мм) объектива. Поэтому для обеспечения хорошего качества изображений приходится ограничиваться относительными отверстиями 1: 14 – 1: 18. Уменьшение вторичного спектра возможно только при применении специальных сортов стекол и увеличении числа линз в объективе Р. Склеивание линз в объективах небольших Р. уменьшает блики (см. Побочные изображения) и светопотери. Потери света на отражение от поверхностей линз уменьшают также просветлением оптики. Большие объективы Р. склеить нельзя из-за различия коэффициентов линейного расширения стекол типов крон и флинт. Небольшие любительские Р. устанавливаются на азимутальной. монтировке или экваториальной монтировке. Крупные Р. устанавливаются только на экваториальной, преимущественно немецкой монтировке, реже английской монтировке.

  Диаметр объективов Р. ограничен трудностями отливки крупных однородных блоков оптического стекла, прогибами их и светопоглощением в стекле. Крупнейший в мире Р. (D = 1,02 м) установлен на Йерксской астрономической обсерватории (США). В СССР крупнейший Р. (D = 0,65 м) установлен на Пулковской обсерватории. Р. широко применяют в небольших визуальных инструментах различного назначения (в частности, астрометрических).

  Лит.: Максутов Д. Д., Астрономическая оптика, М. – Л., 1946; Курс астрофизики и звёздной астрономии, т. 1, М. – Л., 1951, гл. 2—3; Современный телескоп, М., 1968.

  Н. Н. Михельсон.

Рефракция (геодезич.)

Рефра'кция геодезическая, собирательный термин, которым иногда объединяют различные виды и проявления Р. электромагнитных волн, обусловленные искривлением траектории распространения этих волн и сопутствующие всевозможным геодезическим измерениям. При этом объект наблюдения (источник наблюдаемых электромагнитных колебаний) находится в пределах земной атмосферы, тогда как в случае астрономической Р. (см. Рефракция света в атмосфере) расположен за пределами земной атмосферы и даже на бесконечно большом расстоянии по сравнению с радиусом земного шара.

  Различают Р. световых волн, включая в неё и Р. лучей невидимой (инфракрасной) части спектра, и Р. радиоволн, так как искривление лучей тех и других волн зависит от показателя их преломления n на пути их распространения в атмосфере, причём сам показатель преломления является функцией длины волны.

  Из-за неоднородности строения земной атмосферы, в которой показатель преломления в различных точках пространства различен и меняется во времени, луч электромагнитной волны является пространственной кривой с переменной кривизной и кручением. Проекция этой кривой на вертикальную и горизонтальную плоскости в точке наблюдения приводит к так называемой вертикальной Р. и горизонтальной (боковой) Р. Первая проявляется при различных видах нивелирования: тригонометрическом (земная Р.), геометрическом (нивелирная Р.); при аэрофотосъёмке (фотограмметрическая Р.), при наблюдениях ИСЗ (спутниковая Р.). Боковая Р. на один-два порядка меньше, чем вертикальная, и сопутствует всем видам Р.; она непосредственно влияет на результаты измерения горизонтальных углов и триангуляции, полигонометрии и астрономических наблюдений азимутов.

  Зная показатель преломления атмосферы вдоль траектории распространения электромагнитных колебаний и вблизи неё, а также взаимное расположение источника и приёмника (наблюдателя) этих колебаний, можно составить уравнение луча и определить влияние Р. на различные виды наблюдений. Однако незнание прежде всего точного показателя преломления n атмосферы в моменты наблюдений (так как он находится в сложной зависимости от температуры, давления и влажности атмосферы, а также и от физико-географических условий, топографии местности, характера подстилающего покрова) не позволяет определить точную величину Р. упомянутым прямым методом. Обычно в геодезии используют различные косвенные (метеорологические, геодезические, статистические и др.) способы определения Р. и ослабления её действия на отдельные виды геодезических измерений. Разрабатываются инструментальные методы определения Р., предусматривающие непосредственное определение фактического интегрального показателя преломления воздуха на пути распространения электромагнитных волн или измерение угла Р. при помощи соответствующих измерительных устройств.

  Лит.: Изотов А. А., Пеллинен Л. П., Исследования земной рефракции и методов геодезического нивелирования, М., 1955; Островский А. Л., О геодезическом методе определения физических редукций светодальномерных измерений, «Геодезия, картография и аэрофотосъёмка», 1970, в. 12.

  Г. А. Мещеряков.

Рефракция (звука)

Рефра'кция звука, искривление звуковых лучей в неоднородной среде (атмосфера, океан), скорость звука в которой зависит от координат. Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и Р. выражена тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.

  Р. звука в атмосфере обусловлена пространственными изменениями температуры воздуха, скорости и направления ветра. С высотой температура обычно понижается (до высот 15—20 км) и скорость звука уменьшается, поэтому лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху и звук, начиная с некоторого расстояния, перестаёт быть слышен (рис. 1, а). Если же температура воздуха с высотой увеличивается (температурная инверсия, часто возникающая ночью), то лучи загибаются книзу и звук распространяется на большие расстояния (рис. 1, б). При распространении звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру – к земной поверхности, что существенно улучшает слышимость звука во втором случае (рис. 2). Р. звука в верхних слоях атмосферы может привести к образованию зон молчания и зон аномальной слышимости.

  Р. звука в океане связана с пространственными изменениями температуры, солёности и гидростатического давления. Р. в океане обусловливает сверхдальнее распространение звука, образование зон тени, фокусировку звука и ряд других особенностей распространения звука (см. Гидроакустика).

  Лит.: Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960, гл. 6, §3, гл. 7; Физические основы подводной акустики, пер. с англ., под ред. В. И. Мясищева, М., 1955, гл. 3.

Рис. 1, а – ход звуковых лучей при убывании температуры с высотой; б – ход звуковых лучей при возрастании температуры с высотой.

Рис. 2. Влияние ветра на ход звуковых лучей.

Рефракция молекулярная

Рефра'кция молекуля'рная (R), связывает электронную поляризуемость a_эл вещества (см. Поляризуемость атомов, ионов и молекул) с его преломления показателем n. В пределах применимости выражений для Р. м. она, характеризуя, как и n, способность вещества преломлять свет, отличается от n тем, что практически не зависит от плотности, температуры и агрегатного состояния данного вещества. Основная формула для Р. м. имеет вид

,     (*)

где М – молекулярная масса вещества, r — его плотность, N_A – Авогадро число. Выражение (*) для Р. м. является эквивалентом Лоренц – Лоренца формулы (с теми же ограничениями на применимость), но во многих случаях более удобно для практических приложений. Часто Р. м. можно представить как сумму «рефракций» атомов или групп атомов веществ, составляющих молекулу сложного вещества, или их связей в такой молекуле. Например, Р. м. предельного углеводорода . Это важное свойство Р. м. – аддитивность — позволяет успешно применять рефрактометрические методы (см. Рефрактометрия) для решения таких физико-химических задач, как исследование структуры соединений, определение дипольных моментов молекул, изучение водородных связей, определение состава смесей и т.д.

  Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973: Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М. – Л., 1951; его же, Строение и физические свойства молекул, М. – Л., 1955; Бацанов С. С., Структурная рефрактометрия, М., 1959: Иоффе Б. В., Рефрактометрические методы химии, 2 изд., Л., 1974.

  В. А. Зубков.

Рефракция (преломление света)

Рефра'кция света, в широком смысле – то же, что и преломление света, т. е. изменение направления световых лучей при изменении преломления показателя (ПП) среды, через которую эти лучи проходят. В силу исторической традиции термином «Р. света» чаще пользуются, характеризуя распространение оптического излучения в средах с плавно меняющимся от точки к точке ПП (траектории лучей света в таких средах – плавно искривляющиеся линии), а термином «преломление» чаще называется резкое изменение направления лучей на границе раздела двух однородных сред с разными ПП. В ряде разделов оптики традиционно используют именно термин «Р.». К ним относятся атмосферная оптика, очковая оптика, оптика глаза и т.д. Р. глаза – характеристика глаза как оптической системы; оптическая сила глаза при покое аккомодации. Основные преломляющие элементы – роговая оболочка и хрусталик, оптическая сила которых варьирует от 52,59 до 71,30 диоптрии, составляя в среднем 59,92 диоптрии. Если оптическая сила глаза и его размеры соответствуют друг другу (нормальная Р., или эмметропия), параллельные лучи света, проникающие в глаз, фокусируются в центре сетчатки – в области жёлтого пятна; в этом случае на сетчатке получается чёткое изображение рассматриваемого предмета – обязательное условие хорошего зрения. При нарушениях Р. возникают близорукость или дальнозоркость. Р. глаза изменяется с возрастом: она меньше нормальной у новорождённых, в пожилом возрасте может снова уменьшаться (так называемая старческая дальнозоркость). Лечение аномалий Р. медикаментозными средствами невозможно; при её нарушениях применяется коррекция зрения оптическими линзами (подбор очков).

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (РЕ)"