测量胶体、固体和液体折射率的简易方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。本发明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。

本发明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

技术实现要素：
中介绍。

发明内容

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)，同时增大被测样品的尺度，使量角器每度对应的弧长增加，而激光束的粗细随距离变化很小，因为可以提高入射角和折射角读数精度，从而提高折射率测量精度，这在此方法的工业应用中很有潜力。

制作人造散射面的要求是平面性好，不变形；对掠射的激光束有较强的散射。胶体和透明固体折射率测量中显示入射光束，用的是有一定厚度，不易变形的平板，平整地贴散射膜或纸张作成，实验中用3mm厚的有机玻璃板，用不干胶平整地贴牛皮纸作散射板就是一例。对透明固体，将其观测面作成细磨砂面来散射折射光束。对于透明液体，人造散射面

上半张用来显示入射光束，下半张插入被测液体中，散射折射光，所以要选用与被测液体不相互作用的材板细磨砂而成。对于纯净水，为便于加工，用了细磨砂的有机玻璃板。对于有机溶液，选用细磨砂玻璃板。

折射率测量案例在具体实施方式中。

附图说明

图1是明胶水溶液凝胶的折射率测量。(琼脂凝胶折射率测量情况类似)

图2是胶体溶液洗洁精的折射率测量。

图3是固凝胶(含杂质的有机玻璃)折射率测量。

图4是透明固体玻璃的折射率测量。

图5是透明液体纯净水的折射率测量。

具体实施方式

下面的测量中激光波长均为650nm。

每个样品的测量都是重复五次，得到了它们的折射率平均值和平均误差。

1.明胶凝胶的折射率测量

按明胶水溶液的重量百分浓度为11％的配比，将明胶粉末放入纯净水中浸泡2小时以上，使其充分吸水膨胀。再隔水加热，使溶胶温度为75℃。倒入供测量的模具中，放冰箱冷冻。胶凝后取出放至室温。测得的折射率平均值及误差为：n＝1.415±0.003，测量温度24℃。

2.琼脂凝胶的折射率测量

配重量百分浓度为2％的琼脂水溶液，将琼脂粉放入少量纯净水中浸泡2小时以上，使其充分吸水膨胀，再将按配比所需添加的纯净水煮沸，将琼脂倒入煮沸至完全溶解。迅速倒入供测量的模具，放冰箱冷冻胶凝。测量前取出放至室温。测得其折射率平均值及误差为：n＝1.369±0.004(测量温度25℃)

3.洗洁精的折射率测量

洗洁精是表面活性剂、增溶剂、香精等的水溶液，是一种粘稠液体，从照片2中可看到它有明显的丁达尔效应，它也是一种胶体溶液，测得其折射率平均值及误差为：n＝1.338±0.004(测量温度25℃)

4.含杂质的有机玻璃折射率测量

测量样品是一块含杂质的有机玻璃板，厚度为8mm，从照片3中可看到它有明显的丁达尔效应，所以它是一种固凝胶。它的上端表面磨平抛光供激光束入射，测得的折射率平均值及误差为：n＝1.502±0.004(测量温度26℃)

5.透明玻璃(透明固体)折射率测量

样品为一块厚3.9mm的透明碎玻璃板，形状不规则。顶端磨平和抛光，供激光入射。前表面细砂磨毛，供观测折射激光束的掠射。可参考照片4。测得的折射率平均值及误差为：n＝1.522±0.004(测量温度24℃)

6.纯净水折射率测量

测得的折射率平均值及误差为：n＝1.327±0.004(测量温度26℃)。