Описание устройства интерферометра Релея

Схема интерферометра ИТР-1 в двух разрезах представлена на рис. 1.

Рис. 1. Интерферометр ИТР-1

Узкая ярко освещенная щель S служит источником света, расположенным в фокальной плоскости объектива O ₁, который вместе со щелью составляет коллиматор прибора. Параллельный пучок лучей, выходящих из коллиматора, проходит диафрагму     с двумя щелями S ₁ и S ₂, параллельными S, и две одинаковые трубки-кюветы R ₁ и R ₂, в которые вводятся исследуемые газы или жидкости. В результате интерференции света, испытавшего дифракцию на щелях S ₁ и S ₂, в фокальной плоскости объектива   O ₂ вместо одного изображения щели S образуется целая последовательность изображений источника-щели (максимумы разных порядков интерференционной картины).

Введение одинаковых кювет R ₁ и R ₂ с различными жидкостями в верхние части световых пучков, исходящие из щелей S ₁ и S ₂, приведет к сдвигу верхней части картины.

Сдвиг картины является следствием появления дополнительной оптической разности хода  между световыми пучками, равной:

, (1)

где – длина кюветы, , – показатели преломления жидкостей.

При большой оптической разности хода  верхняя картина исчезает, на ее месте видна равномерно освещенная полоса.

Оптическую разность хода удобно выразить через число полос , на которое смещается картина:

(2)

Здесь длина волны принимается равной =0,55 мкм.

Одна из жидкостей, обычно дистиллированная вода, является эталонной, ее показатель преломления  известен. Показатель преломления  другой жидкости можно найти, если определить число полос , на которое смещается верхняя картина относительно нижней:

(3)

Для определения  используется компенсатор, состоящий из стеклянных пластинок B ₁ и B ₂. Наклонно расположенные стеклянные пластинки пересекают верхние, проходящие через кюветы части световых пучков. Одна из пластинок B ₁ неподвижна, другая B ₂ может вращаться вокруг горизонтальной оси, изменяя свой наклон по отношению к проходящему сквозь нее световому пучку. При этом меняется длина пути пучка в пластинке, а, следовательно, и оптическая разность хода пучков.

Поворачивая B ₂, можно привести верхнюю дифракционную картину к полному совпадению с нижней дифракционной картиной.

Пластинка B ₂ поворачивается с помощью рычага, приводимого в движение микрометрическим винтом 1, установленным на интерферометре вблизи окуляра (см. рис. 2). Головка винта перемещается относительно линейной шкалы с делениями и снабжена делениями.

Цена деления линейной шкалы – 100, цена деления головки винта – 1. Отчет  равен сумме отчетов по обеим шкалам. На рис. 3 представлен микрометрический винт интерферометра ИТР-1 со шкалами. Отчет по линейной шкале равен 200, а отчет по шкале головки винта равен 18. Отчет равен сумме отчетов по обеим шкалам =200+18=218.

Рис. 2. Микрометрический винт интерферометра ИТР-1

Рис. 3. Микрометрический винт интерферометра ИТР-1(отчет =218)

Сняв отчет , можно определить число полос , на которое сдвинута верхняя картина относительно нижней. Интерферометр ИТР-1 так устроен, что  и  связаны между собой следующим образом:

(4)

Величина

(5)

называется удельной рефракцией вещества. Здесь – плотность вещества.

Опыт показывает, что во многих случаях удельную рефракцию  смеси веществ можно вычислить, если известны удельные рефракции , , … ее отдельных компонент и их весовые проценты , , … (весовой процент – число граммов растворенного вещества, содержащегося в 100 граммах раствора):

(6)

Для водного раствора имеем:

, (7)

где  – показатель преломления раствора;  – его плотность; – весовой процент; , – удельные рефракции воды и растворенного вещества соответственно.

Назовем концентрацией раствора  число граммов растворенного вещества, приходящегося на 100 грамм растворителя.  и  связаны между собой следующим образом:

(8)

Из (8) следует, что при малых концентрациях .

Из соотношений (7) и (8) видно, что показатель преломления является однозначной функцией концентрации раствора. Поэтому, определив показатели преломления растворов с известными концентрациями и построив график зависимости показателя преломления от концентрации, можно определить неизвестную концентрацию раствора, зная его показатель преломления.  

Порядок выполнения работы

1. Включите осветительную лампочку интерферометра, питаемую от специального понижающего трансформатора.

2. Заполните обе кюветы дистиллированной водой. Вращая головку компенсатора, совместите верхнюю и нижнюю картины и определите отчет  ­– так называемый нуль кюветы.

3. Заполните правую кювету последовательно растворами хлористого натрия с концентрациями 0,5%; 1,5%; 2,5%; 3,5%; 4,5%;  %. Совместите, вращая головку компенсатора, верхнюю и нижнюю картины, снимите отчеты , найдите  и вычислите показатели преломления по формуле:

, (9)

где =1,33 – показатель преломления дистиллированной воды. Длина кюветы =5 мм. Длина волны =0,55 мкм.

4. Результаты занесите в таблицу 1.

5. Постройте график зависимости показателя преломления от концентрации растворов. По этому графику определите  – неизвестную концентрацию раствора.

Таблица 1. Результаты эксперимента и расчета

Концентрация раствора, %	Отчет
0,5
1,5
2,5
3,5
4,5

 

Контрольные вопросы

1. Какое явление называется дифракцией?

2. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.

3. Как может быть учтено действие непрозрачных экранов с отверстиями, установленных на пути пучка света (выбор поверхности σ)?

4. Чем отличается дифракция Фраунгофера от дифракции Френеля?

5. Начертите графики распределения интенсивности на экране при дифракции Фраунгофера от одной щели; от двух щелей.

6. Запишите условие дифракционных минимумов при дифракции Фраунгофера от одной щели.

7. Запишите условие дифракционных минимумов и максимумов при дифракции Фраунгофера от двух щелей.

8. Как устроен интерферометр Релея?

9. Как с помощью интерферометра Релея определить показатели преломления жидкостей?