Brechzahlbestimmung
mittels Pulfrich-Refraktometer

Historische Notiz:

Carl Pulfrich (*1858, = 1927) war Mitarbeiter der optischen Werkstätte Carl Zeiss, Jena. Er begründete die Stereophotogrammetrie und entwickelte zahlreiche Meßinstrumente, besonders Geräte zur Landvermessung und das nach ihm benannte Pulfrich-Refraktometer.Refraktometer sind Geräte, die zur Brechzahlbestimmung von Flüssigkeiten und Gläsern u. ä. dienen und den optischen Effekt der Totalreflexion ausnutzen.

Aufbau:

Das 1887 entwickelte Refraktometer dient zur Bestimmung von Brechungsindizes (und der dazugehörenden Dispersion) von Gläsern und Flüssigkeiten. Dazu sind verschiedene Aufsätze zu dem Gerät nötig. Im folgenden wird der prinzipielle Aufbau für Flüssigkeiten beschrieben:

Fig. 1: Schematischer Aufbau des Refraktometers nach Pulfrich

 

Das Rekraktometer besteht aus einem Glaswürfel G hoher Brechzahl, auf dem ein Glaszylinder Z aufgekittet ist, in den wiederum die zu untersuchende Flüssigkeit gefüllt wird. Die Flüssigkeit muß einen niedrigeren Brechungsindex besitzen als der Glaswürfel G (, da sonst keine Totalreflexion auftritt). Läßt man nun Strahlung streifend auf die Grenzfläche zwischen Glaswürfel und Flüssigkeit treffen, so daß ein Einfallswinkel von 90° resultiert, so wird die Strahlung in den Glaswürfel hinein unter dem Grenzwinkel ig' gebrochen. Nach nochmaliger Brechung treten die Strahlen unter dem Winkel d aus dem Glaswürfel aus. Dieser Winkel d wird mit Hilfe eines Fernrohrs F gemessen, das relativ zu einem Teilkreis T drehbar angeordnet ist. Da Strahlung nicht nur streifend einfällt, werden auch andere Strahlenverläufe, wie die strichpunktiert gezeichneten, auftreten; wegen der Totalreflexion an der Grenzfläche Flüssigkeit - Glaswürfel tritt keine Strahlung unter einem kleineren Ablenkwinkel als d in das Fernrohr ein; es ergibt sich damit eine scharfe Grenze zwischen Licht und Schatten, die im Fernrohr mit Hilfe eines Fadenkreuzes recht genau zu erfassen ist.

Der Aufbau zum Berechnen der Brechungsindizes für Gläser ist prinzipiell der gleiche wie oben beschrieben; statt des Zylinders mit der Flüssigkeit wird eine plangeschliffene Probe auf den Glaskörper mit Hilfe einer Kontaktflüssigkeit (deren Brechzahl natürlich kleiner sein muß als die des Glaswürfels) aufgebracht.

Messung:

Das Refraktometer verfügt über mehrere monochromatische Lichtquellen, die es ermöglichen, den Brechungsindex in Abhängigkeit der Wellenlänge zu messen.
Dazu wird im Fernrohr F der Winkel d gemessen. Der Brechungsindex np der Flüssigkeit oder des Glases gehorcht dann folgender Beziehung: np = Ö [nG² - sin²d ] (mit nG = Brechzahl des Glaswürfels)
Hier einige von uns bestimmte Brechungsindizes von Wasser:

Brechzahl von Wasser in Abhängigkeit der Wellenlänge

nC

ne
ng
gemessener Wert
1,33028
1,33340
1,33919
Literaturwert
1,3312
1,3341
1,3406
Abweichung in %
-0,069
-0,052
-0,105

Da der Winkel im Fernrohr des Pulfrich-Refraktometers sehr genau abgelesen werden kann (auf ±0,05 Bogenminuten genau), ist der Brechungsindex mit einer Genauigkeit von ca. ± 2·10-5 bestimmt.

 


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