У чому вимірюється температура у фізиці. Молекулярна фізика
Оптика одна із старих розділів фізики. З часів античної ГреціїБагато філософів цікавили закони руху і поширення світла в різних прозорих матеріалах, таких як вода, скло, алмаз і повітря. У цій статті розглянуто явище заломлення світла, акцентовано увагу на показнику заломлення повітря.
Ефект заломлення світлового променя
Кожен у своєму житті стикався сотні разів із проявом цього ефекту, коли дивився на дно водойми або на склянку з водою з поміщеним у неї якимось предметом. При цьому водоймище здавалося не таким глибоким, яким воно було насправді, а предмети в склянці з водою виглядали деформованими або зламаними.
Явище заломлення полягає у зламі його прямолінійної траєкторії, коли він перетинає поверхню розділу двох прозорих матеріалів. Узагальнення велика кількістьданих експериментів, початку XVIIстоліття голландець Віллеброрд Снелл отримав математичний вираз, який точно описував це явище. Цей вираз прийнято записувати в наступному вигляді:
n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2) = const.
Тут n 1 , n 2 - абсолютні показникизаломлення світла у відповідному матеріалі, 1 і 2 - кути між падаючим і заломленим променями і перпендикуляром до площини розділу середовищ, який проведений через точку перетину променя і цієї площини.
Ця формула зветься закону Снелла або Снелла-Декарта (саме француз записав її у представленому вигляді, голландець же використовував не синуси, а одиниці довжини).
Крім цієї формули, явище заломлення описується ще одним законом, який має геометричний характер. Він полягає в тому, що зазначений перпендикуляр до площини і два промені (заломлений і падаючий) лежать в одній площині.
Абсолютний показник заломлення
Ця величина входить у формулу Снелла, та її значення грає важливу роль. Математично показнику заломлення n відповідає формула:
Символ c – це швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі. Вона становить приблизно 3*108 м/с. Величина v - це швидкість руху світла серед. Таким чином, показник заломлення відображає величину уповільнення світла в середовищі безповітряного простору.
З формули вище випливає два важливі висновки:
- величина n завжди більше 1 (для вакууму вона дорівнює одиниці);
- це безрозмірна величина.
Наприклад, показник заломлення повітря дорівнює 1,00029, а води він становить 1,33.
Показник заломлення не є постійною величиною для конкретного середовища. Він залежить від температури. Більше того, для кожної частоти електромагнітної хвилівін має значення. Так, наведені вище цифри відповідають температурі 20 o C та жовтій частині видимого спектру (довжина хвилі – близько 580-590 нм).
Залежність величини n від частоти світла проявляється у розкладанні білого світлапризмою на низку кольорів, а також утворенні веселки на небі під час зливи.
Показник заломлення світла у повітрі
Вище було наведено його значення (1,00029). Оскільки показник заломлення повітря відрізняється лише у четвертому знаку після коми від нуля, то для вирішення практичних завданьйого можна вважати рівним одиниці. Невелика відмінність n для повітря від одиниці говорить про те, що світло практично не сповільнюється молекулами повітря, що пов'язане з відносно невисокою щільністю. Так, середнє значення щільності повітря 1,225 кг/м 3 , тобто він більш ніж у 800 разів легший за прісну воду.
Повітря – це оптично нещільне середовище. Сам процес уповільнення швидкості світла у матеріалі носить квантовий характері пов'язаний з актами поглинання та випромінювання фотонів атомами речовини.
Зміна складу повітря (наприклад, підвищення вмісту в ньому водяної пари) та зміна температури призводять до суттєвих змін показника заломлення. Яскравим прикладомє ефект міражу в пустелі, який виникає через відмінність показників заломлення повітряних шарів з різними температурами.
Кордон розділу скло - повітря
Скло є набагато більш щільним середовищем, ніж повітря. Його абсолютний показник заломлення лежить у межах від 1,5 до 1,66 залежно від сорту скла. Якщо взяти середнє значення 1,55, тоді заломлення променя на межі повітря – скло можна розрахувати за формулою:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1,55.
Розмір n 21 називається відносним показником заломлення повітря - скло. Якщо промінь виходить зі скла в повітря, тоді слід користуватися наступною формулою:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 = 0,645.
Якщо кут заломленого променя в останньому випадкудорівнюватиме 90 o , тоді йому відповідний, називається критичним. Для кордону скло - повітря він дорівнює:
θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o .
Якщо промінь падатиме на кордон скло - повітря з великими кутами, ніж 40,17 o , він відобразиться повністю назад у скло. Це явище так і називається "повне внутрішнє відображення".
Критичний кут існує тільки при русі променя із щільного середовища (зі скла в повітря, але не навпаки).
Світло за своєю природою поширюється на різних середовищах з різними швидкостями. Чим щільніше середовище, тим нижча швидкість поширення у ній світла. Була встановлена відповідна міра, що стосується як щільності матеріалу, так і швидкості поширення світла в цьому матеріалі. Цей захід назвали показником заломлення. Для будь-якого матеріалу показник заломлення вимірюється щодо швидкості розповсюдження світла у вакуумі (вакуум часто називають вільним простором). Наступна формула визначає це ставлення.
Що показник заломлення матеріалу, то він щільніше. Коли промінь світла проникає з одного матеріалу до іншого (з іншим показником заломлення), кут заломлення відрізнятиметься від кута падіння. Промінь світла, що проникає в середу з меншим показником заломлення, виходитиме з кутом, більшим за кут падіння. Промінь світла, що проникає в середу з великим показникомзаломлення, виходитиме з кутом, меншим кута падіння. Це показано на рис. 3.5.
Рис. 3.5.а. Промінь, що проходить із середовища з високим N 1 у середу з низьким N 2
Рис. 3.5.б. Промінь, що проходить із середовища з низьким N 1 у середу з високим N 2
У даному випадкуθ 1 є кутом падіння, а θ 2 - кутом заломлення. Нижче перераховані деякі типові показники заломлення.
Цікаво відзначити, що для рентгенівських променівпоказник заломлення скла завжди менше, ніж для повітря, тому вони при проходженні з повітря в скло відхиляють убік від перпендикуляра, а не перпендикуляра, як світлові промені.
Звернемося до докладнішому розгляду показника заломлення, введеного нами в §81 під час формулювання закону заломлення.
Показник заломлення залежить від оптичних властивостейі того середовища, з якого промінь падає, і того середовища, в яке він проникає. Показник заломлення, отриманий у тому випадку, коли світло з вакууму падає на якесь середовище, називається абсолютним показником заломлення даного середовища.
Рис. 184. Відносний показник заломлення двох середовищ:
Нехай абсолютний показник заломлення першого середовища є другий середовища - . Розглядаючи заломлення на межі першого та другого середовищ, переконаємося, що показник заломлення при переході з першого середовища до другого, так званий відносний показник заломлення, дорівнює відношеннюабсолютних показників заломлення другого та першого середовищ:
(Рис. 184). Навпаки, при переході з другого середовища до першого маємо відносний показник заломлення
Встановлений зв'язок між відносним показником заломлення двох середовищ та їх абсолютними показниками заломлення міг би бути виведений і теоретичним шляхом, без нових дослідів, подібно до того, як це можна зробити для закону оборотності (§82),
Середовище, що має великий показник заломлення, називається оптично більш щільним. Зазвичай вимірюється показник заломлення різних середовищ щодо повітря. Абсолютний показник заломлення повітря дорівнює. Таким чином, абсолютний показник заломлення будь-якого середовища пов'язаний з її показником заломлення щодо повітря формулою
Таблиця 6. Показник заломлення різних речовинщодо повітря
Показник заломлення залежить від довжини хвилі світла, тобто його кольору. Різним кольорам відповідають різні показники заломлення. Це явище, яке називається дисперсією, відіграє важливу роль в оптиці. Ми неодноразово матимемо справу з цим явищем у наступних розділах. Дані, наведені у табл. 6, відносяться до жовтого світла.
Цікаво відзначити, що закон відображення може бути формально записаний у тому вигляді, як і закон заломлення. Згадаймо, що ми домовилися завжди вимірювати кути від перпендикуляра до відповідного променя. Отже, ми повинні вважати кут падіння та кут відображення такими, що мають протилежні знаки, тобто. закон відображення можна записати у вигляді
Порівнюючи (83.4) із законом заломлення, бачимо, що закон відображення можна як окремий випадокзакону заломлення при . Ця формальна подібність законів відображення та заломлення приносить велику користь при вирішенні практичних завдань.
У попередньому викладі показник заломлення мав сенс константи середовища, що не залежить від інтенсивності світла, що проходить через неї. Таке тлумачення показника заломлення цілком природно, проте у разі більших інтенсивностей випромінювання, досяжних під час використання сучасних лазерів, воно виправдовується. Властивості середовища, через яке проходить сильне світлове випромінювання, у разі залежить від його інтенсивності. Як кажуть, середовище стає нелінійним. Нелінійність середовища проявляється, зокрема, у тому, що світлова хвилявелику інтенсивність змінює показник заломлення. Залежність показника заломлення від інтенсивності випромінювання має вигляд
Тут – звичайний показник заломлення, а – нелінійний показник заломлення, – множник пропорційності. Додатковий член у цій формулі може бути як позитивним, і негативним.
Відносні зміни показника заломлення порівняно невеликі. При нелінійний показник заломлення. Однак навіть такі невеликі змінипоказника заломлення відчутні: вони проявляються у своєрідному явище самофокусування світла.
Розглянемо середовище із позитивним нелінійним показником заломлення. У цьому випадку області підвищеної інтенсивності світла є одночасною областями збільшеного показника заломлення. Зазвичай у реальному лазерному випромінюваннірозподіл інтенсивності перерізу пучка променів неоднорідно: інтенсивність максимальна по осі і плавно спадає до країв пучка, як це показано на рис. 185 суцільними кривими. Подібний розподіл описує також зміну показника заломлення перерізу кювети з нелінійним середовищем, вздовж осі якої поширюється лазерний промінь. Показник заломлення, найбільший по осі кювети, плавно спадає до стінок (штрихові криві на рис. 185).
Пучок променів, що виходить з лазера паралельно осі, потрапляючи в середу з змінним показникомзаломлення, відхиляється в той бік, де більше. Тому підвищена інтенсивність поблизу осп кювети призводить до концентрації світлових променів у цій галузі, показаної схематично в перерізах та на рис. 185, а це призводить до подальшого зростання. Зрештою ефективний переріз світлового пучка, що проходить через нелінійне середовище, суттєво зменшується. Світло проходить як би вузьким каналом з підвищеним показником заломлення. Таким чином, лазерний пучок променів звужується, нелінійне середовище під дією інтенсивного випромінювання діє як лінза, що збирає. Це явище називається самофокусування. Його можна спостерігати, наприклад, у рідкому нітробензолі.
Рис. 185. Розподіл інтенсивності випромінювання та показника заломлення по перерізу лазерного пучка променів на вході в кювету (а), поблизу вхідного торця (), у середині (), поблизу вихідного торця кювети ()
Визначення показника заломлення прозорих твердих тіл
І рідин
Прилади та приладдя: мікроскоп зі світлофільтром, плоскопаралельна пластинка з міткою АВ у вигляді хреста; рефрактометр марки "РЛ"; набір рідин.
Мета роботи:визначити показники заломлення скла та рідин.
Визначення показника заломлення скла за допомогою мікроскопа
Для визначення показника заломлення твердого прозорого тіла застосовується плоскопаралельна пластинка, виготовлена з цього матеріалу, з міткою.
Мітка є двома взаємно перпендикулярними подряпинами, одна з яких (А) нанесена на нижню, а друга (В) — на верхню поверхню пластинки. Платівка висвітлюється монохроматичним світломі розглядається у мікроскоп. на
Рис. 4.7 представлено переріз досліджуваної платівки вертикальною площиною.
Промені АТ та АЕ після заломлення на кордоні скло – повітря йдуть у напрямках ДД1 та ЕЕ1 та потрапляють в об'єктив мікроскопа.
Спостерігач, який дивиться на пластину зверху, бачить точку на перетині продовження променів ДД1 і ЕЕ1, тобто. у точці С.
Таким чином, точка А здається спостерігачеві розташованої в точці С. Знайдемо зв'язок між показником заломлення n матеріалу пластинки, товщиною d і товщиною d1 пластинки, що здається.
4.7 видно, що ВД = ВСtgi, BD = АВtgr, звідки
tgi/tgr = AB/BC,
де AB = d - Товщина пластинки; ВС = d1 товщина пластинки, що здається.
Якщо кути i та r малі, то
Sini / Sinr = tgi / tgr, (4.5)
тобто. Sini/Sinr = d/d1.
Враховуючи закон заломлення світла, отримаємо
Вимірювання d/d1 здійснюється за допомогою мікроскопа.
Оптична схема мікроскопа складається з двох систем: спостережної, в яку входять об'єктив і окуляр, вмонтовані в тубус, і освітлювальної, що складається з дзеркала та світлофільтра, що знімається. Фокусування зображення проводиться обертанням рукояток, розташованих по обидві сторони від тубуса.
На осі правої рукоятки укріплено диск зі шкалою лімб.
Відлік b по лімбу щодо нерухомого покажчика визначає відстань h від об'єктива до предметного столика мікроскопа:
Коефіцієнт k вказує, яку висоту зміщується тубус мікроскопа при повороті рукоятки на 1°.
Діаметр об'єктива в даній установці малий у порівнянні з відстанню h, тому крайній промінь, який потрапляє в об'єктив, утворює малий кут з оптичною віссю мікроскопа.
Кут заломлення r світла в платівці менше, ніж кут i, тобто. теж малий, що відповідає умові (4.5).
Порядок виконання роботи
1. Покласти пластинку на предметний столик мікроскопа так, щоб точка перетину штрихів А та В (див. рис.
Показник заломлення
4.7) перебувала у полі зору.
2. Обертаючи рукоятку підйомного механізму, підняти тубус у верхнє положення.
3. Дивлячись в окуляр, обертанням рукоятки опускати тубус мікроскопа плавно доти, доки поле зору не вийде чітке зображенняподряпини, нанесеної на верхню поверхню пластинки. Записати показання b1 лімба, яке пропорційне відстані h1 від об'єктиву мікроскопа до верхньої граніплатівки: h1 = kb1 (рис.
4. Продовжити опускання тубуса плавно доти, доки не вийде чітке зображення подряпини А, яка здається спостерігачеві, розташованій у точці С. Записати нове показання b2 лімба. Відстань h1 від об'єктива до верхньої поверхні платівки пропорційно b2:
h2 = kb2 (рис. 4.8 б).
Відстань від точок В і З до об'єктиву рівні, оскільки спостерігач бачить їх однаково чітко.
Зміщення тубуса h1-h2 одно здається товщині пластинки (рис.
d1 = h1-h2 = (b1-b2) k. (4.8)
5. Виміряти товщину пластинки d у місці перетину штрихів. Для цього під досліджувану пластинку 1 (рис. 4.9) помістити допоміжну скляну пластинку 2 і опускати тубус мікроскопа до тих пір, поки об'єктив не торкнеться (злегка) пластинки, що досліджується. Помітити показання лімбу a1. Зняти досліджувану пластинку і опускати тубус мікроскопа до тих пір, поки об'єктив не торкнеться пластинки 2.
Помітити показ a2.
Об'єктив мікроскопа опуститься у своїй на висоту, рівну товщині досліджуваної платівки, тобто.
d = (a1-a2) k. (4.9)
6. Обчислити показник заломлення матеріалу платівки за формулою
n = d/d1 = (a1-a2)/(b1-b2). (4.10)
7. Повторити всі вказані вище вимірювання 3 - 5 разів, обчислити середнє значення n, абсолютну і відносну похибки rn та rn/n.
Визначення показника заломлення рідин за допомогою рефрактометра
Прилади, які служать визначення показників заломлення, називаються рефрактометрами.
Загальний вигляд та оптична схема рефрактометра РЛ показані на рис. 4.10 та 4.11.
Вимірювання показника заломлення рідин за допомогою рефрактометра РЛ засноване на явищі заломлення світла, що пройшов через межу поділу двох середовищ різними показникамизаломлення.
Світловий пучок (мал.
4.11) від джерела 1 (лампа розжарювання або денне розсіяне світло) за допомогою дзеркала 2 направляється через віконце в корпусі приладу на подвійну призму, що складається з призм 3 і 4, які виготовлені зі скла з показником заломлення 1,540.
Поверхня АА верхньої освітлювальної призми 3 (рис.
4.12, а) матова і служить для освітлення розсіяним світлом рідини, нанесеним тонким шаром у зазорі між призмами 3 і 4. Світло, розсіяне матовою поверхнею 3, проходить плоскопаралельний шар досліджуваної рідини і падає на діагональну грань ВР нижньої призми 4
кутами i не більше від нуля до 90°.
Щоб уникнути явища повного внутрішнього відбиття світла поверхні ВР, показник заломлення досліджуваної рідини може бути менше, ніж показник заломлення скла призми 4, тобто.
менше ніж 1,540.
Промінь світла, кут падіння якого дорівнює 90 °, називається ковзним.
Ковзаючий промінь, заломлюючись на межі рідина – скло, піде в призмі 4 під граничним кутом заломлення rпр< 90о.
Заломлення ковзного променя в точці Д (див. рис 4.12 а) підпорядковується закону
nст/nж = siniпр/sinrпр (4.11)
або nж = nстsinrпр, (4.12)
тому що siniпр = 1.
На поверхні ВС призми 4 відбувається повторне заломлення світлових променів і тоді
Sini¢пр/sinr¢пр = 1/ nст, (4.13)
r¢пр+i¢пр = i¢пр =a , (4.14)
де a-заломлюючий промінь призми 4.
Вирішуючи спільно систему рівнянь (4.12), (4.13), (4.14), можна отримати формулу, яка пов'язує показник заломлення nж досліджуваної рідини з граничним кутом заломлення r'пр променя, що вийшов із призми 4:
Якщо на шляху променів, що вийшли з призми 4, поставити зорову трубу, нижня частина її поля зору буде освітлена, а верхня - темна. Кордон розділу світлого та темного полів утворено променями з граничним кутом заломлення r¢пр. Променів з кутом заломлення меншим, ніж r¢пр, у цій системі немає (рис.
Величина r¢пр, отже, і положення межі світлотіні залежать тільки від показника заломлення nж досліджуваної рідини, так як nст і величини в даному приладі постійні.
Знаючи nст, a та r¢пр, можна за формулою (4.15) розрахувати nж. Насправді формула (4.15) використовується для градуювання шкали рефрактометра.
На шкалу 9 (див.
Рис. 4.11) зліва нанесено значення показника заломлення для lд = 5893 Å. Перед окуляром 10 - 11 є платівка 8 з міткою (--).
Переміщуючи окуляр разом з пластинкою 8 вздовж шкали, можна домогтися поєднання мітки з межею темного розділу і світлого полів зору.
Поділ проградуйованої шкали 9 збігається з міткою, дає значення показника заломлення nж досліджуваної рідини. Об'єктив 6 і окуляр 10 - 11 утворюють зорову трубу.
Поворотна призма 7 змінює хід променя, спрямовуючи його в окуляр.
Внаслідок дисперсії скла та досліджуваної рідини замість чіткої межі розділу темного та світлого полів при спостереженні у білому світлі виходить райдужна смужка. Для усунення цього ефекту служить компенсатор 5 дисперсії, встановлений перед об'єктивом зорової труби. Основна деталь компенсатора – призма, яка склеєна із трьох призм і може обертатися щодо осі зорової труби.
Заломлюючі кути призми та їх матеріал підібрані так, що жовте світло з довжиною хвилі lд =5893 проходить через них без заломлення. Якщо на шляху кольорових променів встановити компенсаторну призму так, щоб її дисперсія дорівнювала за величиною, але протилежна за знаком дисперсії вимірювальної призми і рідини, то сумарна дисперсія дорівнюватиме нулю. При цьому пучок світлових променів збереться в білий проміньнапрямок якого збігається з напрямком граничного жовтого променя.
Таким чином, при обертанні компенсаторної призми кольорове забарвлення квітотені усувається. Разом із призмою 5 обертається дисперсійний лімб 12 щодо нерухомого покажчика (див. рис. 4.10). Кут повороту Z лімба дозволяє судити про величину середньої дисперсії рідини, що досліджується.
Шкала лімба має бути проградуйована. Графік додається до встановлення.
Порядок виконання роботи
1. Підняти призму 3, на поверхню призми 4 помістити 2-3 краплі рідини, що досліджується, і опустити призму 3 (див. рис. 4.10).
3. Окулярним наведенням домогтися різкого зображення шкали та межі розділу полів зору.
4. Обертаючи рукоятку 12 компенсатора 5, знищити кольорове забарвлення межі розділу полів зору.
Переміщуючи окуляр вздовж шкали, поєднати мітку(--) з межею темного та світлого полів та записати значення показника рідини.
6. Дослідити запропонований набір рідин та оцінити похибку вимірювань.
7. Після кожного вимірювання протирати поверхню призм фільтрувальним папером, змоченим у дистильованій воді.
Контрольні питання
Варіант 1
Дайте визначення абсолютного та відносного показників заломлення середовища.
2. Намалюйте хід променів через межу поділу двох середовищ (n2> n1 і n2< n1).
3. Отримайте співвідношення, яке пов'язує показник заломлення n з товщиною d і товщини d¢ пластинки, що здається.
4. Завдання.Граничний кут повного внутрішнього відображення деякої речовини дорівнює 30°.
Знайти показник заломлення цієї речовини.
Відповідь: n =2.
Варіант 2
1. У чому явище повного внутрішнього відбиття?
2. Опишіть конструкцію та принцип дії рефрактометра РЛ-2.
3. Поясніть роль компенсатора у рефрактометрі.
4. Завдання. З центру круглого плоту на глибину 10 м опущено лампочку. Знайти мінімальний радіус плоту, при цьому жоден промінь від лампочки не повинен вийти на поверхню.
Відповідь: R = 11,3 м.
ПОКАЗНИК ЗАЛОМЛЕННЯ, або КОЕФІЦІЄНТ ПЕРЕЛОМЛЕННЯ, - Абстрактне число, що характеризує заломлюючу силу прозорого середовища. Показник заломлення позначається латинською літероюπ і визначається як відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення променя, що входить з порожнечі в дане прозоре середовище:
n = sin α/sin β = const або як відношення швидкості світла в порожнечі до швидкості світла в даному прозорому середовищі: n = c/νλ з порожнечі в дане прозоре середовище.
Показник заломлення вважається мірою оптичної щільностісереди
Визначений таким чином показник заломлення називається абсолютним показником заломлення, на відміну відносного т.
е. показує, у скільки разів сповільнюється швидкість розповсюдження світла при переході його показника заломлення, який визначається ставленням синуса кута падіння до синуса кута заломлення при переході променя із середовища однієї густини в середовище іншої густини. Відносний показник заломлення дорівнює відношенню абсолютних показників заломлення: n = n2/n1, де n1 і n2 - абсолютні показники заломлення першого та другого середовища.
Абсолютний показник заломлення всіх тіл - твердих, рідких і газоподібних - більше одиниці і коливається від 1 до 2, перевищуючи значення 2 тільки в окремих випадках.
Показник заломлення залежить як від властивостей середовища, так і від довжини хвилі світла та збільшується із зменшенням довжини хвилі.
Тому до літери п приписують індекс, що вказує, якої довжини хвилі відноситься показник.
ПОКАЗНИК ЗАЛОМЛЕННЯ
Наприклад, для стеклаТФ-1 показник заломлення в червоній частині спектру становить nC=1,64210, а фіолетової nG' =1,67298.
Показники заломлення деяких прозорих тіл
Повітря - 1,000292
Вода - 1,334
Ефір - 1,358
Спирт етиловий - 1,363
Гліцерин - 1, 473
Органічне скло (плексиглас) - 1, 49
Бензол - 1,503
(Скло крон - 1,5163
Ялицевий (канадський), бальзам 1,54
Скло важкий крон - 1 , 61 26
Скло флінт - 1,6164
Сірковуглець - 1,629
Скло важкий флінт - 1 , 64 75
Монобромнафталін - 1,66
Скло найважчий флінт - 1,92
Алмаз - 2,42
Неоднаковість показника заломлення для різних ділянок спектра є причиною хроматизму, тобто.
розкладання білого світла, при проходженні його через деталі, що заломлюють, — лінзи, призми і т.д.
Лабораторна робота №41
Визначення показника заломлення рідин за допомогою рефрактометра
Мета роботи: визначення показника заломлення рідин методом повного внутрішнього відбиття за допомогою рефрактометра ІРФ-454Б; дослідження залежності показника заломлення розчину з його концентрації.
Опис установки
При заломленні немонохроматичного світла відбувається його розкладання на складові кольори спектр.
Це зумовлено залежністю показника заломлення речовини від частоти (довжини хвилі) світла і називається дисперсією світла.
Прийнято характеризувати заломлюючу здатність середовища показником заломлення на довжині хвилі λ = 589,3 нм (середнє значення довжин хвиль двох близьких жовтих ліній у діапазоні парів натрію).
60. Які методи визначення концентрації речовин у розчині використовують в атомно-абсорбційному аналізі?
Цей показник заломлення позначається nD.
Мірою дисперсії служить середня дисперсія, яка визначається як різниця ( nF-nC), де nFпоказник заломлення речовини на довжині хвилі λ = 486,1 нм ( блакитна лініяу спектрі водню), nC- Показник заломлення речовини на λ - 656,3 нм (червона лінія у спектрі водню).
Заломлення речовини характеризують величиною відносної дисперсії: У довідниках зазвичай наводиться величина, обернена відносної дисперсії.
е. де - коефіцієнт дисперсії, або число Аббе.
Установка визначення показника заломлення рідин складається з рефрактометра ІРФ-454Бз межами виміру показника; заломлення nDу діапазоні від 1,2 до 1,7; досліджуваної рідини, серветки для протирання поверхонь призм.
Рефрактометр ІРФ-454Бє контрольно-вимірювальним приладом, призначеним для безпосереднього вимірювання показника заломлення рідин, а також визначення середньої дисперсії рідин в лабораторних умовах.
Принцип дії приладу ІРФ-454Бзаснований на явищі повного внутрішнього відбиття світла.
Принципова схема пристрою показана на рис. 1.
Досліджувана рідина міститься між двома гранями призми 1 і 2. Призма 2 з добре відполірованою гранню АВє вимірювальною, а призма 1 з матовою гранню А1 У1 - Освітлювальної. Промені від джерела світла падають на межу А1 З1 , заломлюються, падають на матову поверхню А1 У1 і розсіюються цією поверхнею.
Потім вони проходять шар досліджуваної рідини та потрапляють на поверхню АВпризми 2.
За законом заломлення , де і - кути заломлення променів у рідині та призмі відповідно.
При збільшенні кута падіння кут заломлення також збільшується та досягає максимального значення, коли т.
е. коли промінь у рідині ковзає по поверхні АВ. Отже, . Таким чином, 2 промені, що виходять з призми, обмежені певним кутом .
Промені, що йдуть з рідини в призму 2 під великими кутами зазнають повного внутрішнього відображення на межі розділу АВі не проходять через призму.
На приладі, що розглядається, досліджуються рідини, показник заломлення яких менше показниказаломлення призми 2, отже, промені всіх напрямків, що переломилися на межі рідини та скла, увійдуть до призму.
Очевидно, частина призми, що відповідає променям, що не пройшли, буде затемненою. У зорову трубу 4, розташовану на шляху променів, що виходять з призми, можна спостерігати поділ поля зору на світлу і темну частини.
Повертаючи систему призм 1-2, поєднують межу розділу світлого та темного поля з хрестом ниток окуляра зорової труби. Система призм 1-2 пов'язана зі шкалою, яка відградуйована значення показника заломлення.
Шкала розташована в нижній частині поля зору труби і при поєднанні розділу поля зору з хрестом ниток дає відповідне значення показника заломлення рідини.
Через дисперсію межа розділу поля зору у білому світлі буде пофарбована. Для усунення забарвленості, і навіть визначення середньої дисперсії досліджуваного речовини служить компенсатор 3, що з двох систем склеєних призм прямого зору (призм Амічі).
Призми можна обертати одночасно в різні сторониза допомогою точного поворотного механічного пристрою, змінюючи тим самим власну дисперсію компенсатора та усуваючи забарвлення межі поля зору, що спостерігається через оптичну систему 4. З компенсатором пов'язаний барабан зі шкалою, за якою визначають параметр дисперсії, що дозволяє розрахувати середню дисперсіюречовини.
Порядок виконання роботи
Здійснити налаштування приладу так, щоб світло від джерела (лампи розжарювання) надходило в освітлювальну призму і висвітлювало рівномірно поле зору.
2. Відкрити вимірювальну призму.
Скляною паличкою нанести на її поверхню кілька крапель води та обережно закрити призму. Зазор між призмами має бути рівномірно заповнений тонким шаром води (звернути на це особливу увагу).
Користуючись гвинтом приладу зі шкалою, усунути забарвленість поля зору та отримати різку межу світла та тіні. Поєднати її, за допомогою іншого гвинта, з відліковим хрестом окуляра приладу. Визначити показник заломлення води за шкалою окуляра з точністю до тисячних часток.
Порівняти отримані результати із довідковими даними для води. Якщо відмінність виміряного від табличного показника заломлення вбирається у ± 0,001, то вимір виконано правильно.
Завдання 1
1. Приготувати розчин кухонної солі ( NaCl) з концентрацією, близькою до межі розчинності (наприклад, С = 200 г/літр).
Виміряти показник заломлення одержаного розчину.
3. Розбавляючи розчин у ціле число разів отримати залежність показника; заломлення від концентрації розчину та заповнити табл. 1.
Таблиця 1
Вправа.Як отримати тільки розведення концентрацію розчину, рівну 3/4 максимальної (початкової)?
Побудувати графік залежності n=n(C). Подальшу обробку експериментальних даних провести за вказівкою викладача.
Обробка експериментальних даних
а) Графічний метод
З графіка визначити кутовий коефіцієнт У, який за умов експерименту характеризуватиме розчинену речовину та розчинник.
2. Визначити за допомогою графіка концентрацію розчину NaCl, даного лаборантом.
б) Аналітичний метод
Методом найменших квадратівобчислити А, Уі SB.
За знайденими значеннями Аі Увизначити середнє значення концентрації розчину NaCl, даного лаборантом
Контрольні питання
Дисперсія світла. Чим відрізняється нормальна дисперсія від аномальної?
2. Що таке явище повного внутрішнього відбиття?
3. Чому на даній установці не можна виміряти показник заломлення рідини більший за показник заломлення призми?
4. Навіщо грань призми А1 У1 роблять матовою?
Деградації, Індекс
Психологічна енциклопедія
Спосіб оцінки ступеня деградації психічних! функцій, що вимірюються тестом Векслера-Белвью. Індекс ґрунтується на спостереженні того, що рівень розвитку деяких здібностей, що вимірюються тестом, з віком знижується, а інших – ні.
Індекс
Психологічна енциклопедія
- покажчик, реєстр імен, назв та ін. У психології - цифровий показник для кількісної оцінки, характеризування явищ.
Від чого залежить показник заломлення речовини?
Індекс
Психологічна енциклопедія
1. Найбільш загальне значення: будь-що, що використовується для того, щоб позначити, ідентифікувати або направити; індикації, написи, знаки або символи. 2. Формула або номер, які часто виражаються як коефіцієнт, що показує деяке відношення між значеннями або вимірюваннями або між...
Товариство, Індекс
Психологічна енциклопедія
Характеристика, що виражає товариськість людини. Соціограма, наприклад, дає, крім інших вимірів, оцінку комунікабельності різних членівгрупи.
Відбору, Індекс
Психологічна енциклопедія
Формула для оцінки потужності певного тестуабо пункту тесту розрізнення індивідів друг від друга.
Надійності, Індекс
Психологічна енциклопедія
Статистика, що забезпечує оцінку кореляції між актуальними значеннями, отриманими з тесту, та теоретично вірними значеннями.
Цей індекс дається як значення r, де r - коефіцієнт надійності, що обчислюється.
Прогнозування ефективності, індекс
Психологічна енциклопедія
Вимірювання ступеня, в якому можна використовувати знання про одну змінну для того, щоб робити передбачення щодо іншої змінної, за умови, що кореляція цих змінних відома. Зазвичай у символічній формі це виражається як Е, індекс представляється як 1-((…
Слова, Індекс
Психологічна енциклопедія
Загальний термін для позначення будь-якої систематичної частоти появи слів у письмовій та/або усній мові.
Часто такі індекси обмежені специфічними лінгвістичними областями, наприклад підручники для перших класів, батьківсько-дитячі взаємодії. Проте відомі оцінки.
Будинки Тіла, Індекс
Психологічна енциклопедія
Запропонований Айзенком вимір статури, заснований на відношенні зростання до кола грудей.
Ті, чиї показники були у «нормальному» діапазоні, називалися мезоморфами, в межах стандартного відхиленняабо вище середнього – лептоморфами та в межах стандартного відхилення або…
ДО ЛЕКЦІЇ №24
«ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ»
РЕФРАКТОМЕТРІЯ.
Література:
1. В.Д. Пономарьов Аналітична хімія» 1983 рік 246-251
2. А.А. Іщенко «Аналітична хімія» 2004 стор 181-184
РЕФРАКТОМЕТРІЯ.
Рефрактометрія є одним із найпростіших фізичних методіваналізу із витратою мінімальної кількостіаналізованої речовини проводиться за дуже короткий час.
Рефрактометрія— метод, заснований на явище заломлення чи рефракції, тобто.
зміні напряму поширення світла при переході з одного середовища до іншого.
Заломлення, як і поглинання світла, є наслідком взаємодії його з середовищем.
Слово рефрактометрія означає вимір заломлення світла, яке оцінюється за величиною показника заломлення.
Розмір показника заломлення nзалежить
1) від складу речовин та систем,
2) від того, у якій концентрації і які молекули зустрічає світловий промінь своєму шляху, т.к.
під дією світла молекули різних речовинполяризуються по-різному. Саме на цій залежності й ґрунтується рефрактометричний метод.
Метод цей має цілу низку переваг, внаслідок чого він знайшов широке застосуванняяк у хімічних дослідженнях, і при контролі технологічних процесів.
1)Вимірювання показники заломлення є дуже простим процесом, який здійснюється точно і за мінімальних витрат часу та кількості речовини.
2) Зазвичай рефрактометри забезпечують точність до 10% при визначенні показника заломлення світла та вмісту аналізованої речовини
Метод рефрактометрії застосовують для контролю справжності та чистоти, для ідентифікації індивідуальних речовин, для визначення будови органічних і неорганічних сполукщодо розчинів.
Рефрактометрія знаходить застосування визначення складу двокомпонентних розчинів і потрійних систем.
Фізичні основи методу
ПОКАЗНИК ЗАЛОМЛЕННЯ.
Відхилення світлового променявід початкового напрямку при переході його з одного середовища в інше тим більше, чим більша різниця у швидкостях поширення світла у двох
даних середовищах.
Розглянемо заломлення світлового променя на межі якихось двох прозорих середовищ I і II(Див.
Рис.). Умовимося, що середовище II має більшу заломлюючу здатність і, отже, n1і n2показує заломлення відповідних середовищ. Якщо середовище I - це вакуум і повітря, то відношення sinкута падіння світлового променя до sin кута заломлення дасть величину відносного показниказаломлення n отн. Розмір n отн.
Що таке показник заломлення скла? І коли його потрібно знати?
може бути так само визначено як відношення показників заломлення середовищ, що розглядаються.
нотн. = - - = -
Розмір показника заломлення залежить від
1) природи речовин
Природу речовини у разі визначає ступінь деформируемости його молекул під впливом світла — ступінь поляризуемости.
Чим інтенсивніша поляризуемість, тим сильніше заломлення світла.
2)довжини хвилі падаючого світла
Вимірювання показника заломлення проводиться за довжини хвилі світла 589,3 нм (лінія D спектру натрію).
Залежність показника заломлення від довжини світлової хвилі називається дисперсією.
Чим менша довжина хвилі, тим значніше заломлення. Тому, промені різних довжинхвиль переломлюються по-різному.
3)температури , При якій проводиться вимір. Обов'язковою умовоювизначення показника заломлення є дотримання температурного режиму. Зазвичай визначення виконується за 20±0,30С.
У разі підвищення температури величина показника заломлення зменшується, при зниженні — збільшується.
Поправку на вплив температури розраховують за такою формулою:
nt=n20+ (20-t) ·0,0002, де
nt –Бувай задавачем заломлення при даній температурі,
n20-показник заломлення при 200С
Вплив температури на значення показників заломлення газів та рідких тіл пов'язаний з величинами їх коефіцієнтів об'ємного розширення.
Об'єм всіх газів і рідких тіл при нагріванні збільшується, щільність зменшується і, отже, зменшується показник
Показник заломлення, виміряний при 200С та довжині хвилі світла 589,3 нм, позначається індексом nD20
Залежність показника заломлення гомогенної двокомпонентної системи від її стану встановлюється експериментально шляхом визначення показника заломлення для ряду стандартних систем (наприклад, розчинів), вміст компонентів у яких відомий.
4) концентрації речовини у розчині.
Для багатьох водних розчинівпоказники заломлення при різних концентраціях і температурах надійно виміряні, і в цих випадках можна користуватися довідковими рефрактометричними таблицями.
Практика показує, що при вмісті розчиненої речовини, що не перевищує 10-20%, поряд з графічним методому багатьох випадках можна користуватися лінійним рівняннямтипу:
n=nо+FC,
n-показник заломлення розчину,
nо- Показник заломлення чистого розчинника,
C- Концентрація розчиненої речовини, %
F-емпіричний коефіцієнт, величина якого знайдена
шляхом визначення коефіцієнтів заломлення розчинів відомої концентрації.
РЕФРАКТОМЕТРИ.
Рефрактометрами називають прилади, що служать вимірювання величини показника заломлення.
Існує 2 види цих приладів: рефрактометр типу Аббе та типу Пульфріха. І в тих і в ін. Виміри засновані на визначенні величини граничного кута заломлення. На практиці застосовуються рефрактометри різних систем: лабораторний-РЛ, універсальний РЛУ та ін.
Показник заломлення дистильованої води n0=1,33299, практично цей показник приймає як отсчетного як n0 =1,333.
Принцип роботи на рефрактометрах ґрунтується на визначенні показника заломлення методом граничного кута (кут повного відображеннясвітла).
Ручний рефрактометр
Рефрактометр Аббе
Заломлення називають деяке абстрактне число, яке характеризує заломлюючу здатність будь-якого прозорого середовища. Позначати її заведено n. Розрізняють абсолютний показник заломлення та коефіцієнт відносний.
Перший розраховується за однією з двох формул:
n = sin α / sin β = const (де sin α - синус кута падіння, а sin β - синус променя світла, що входить у розглянуте середовище з порожнечі)
n = c / υ λ (де - швидкість світла в порожнечі, υ λ - швидкість світла в досліджуваному середовищі).
Тут розрахунок показує, скільки разів світло змінює швидкість свого поширення в момент переходу з вакууму в прозоре середовище. Таким чином, визначається показник заломлення (абсолютний). Для того щоб дізнатися про відносний, використовують формулу:
Тобто при цьому розглядаються абсолютні показники заломлення речовин різної густини, наприклад повітря та скла.
Якщо говорити загалом, то абсолютні коефіцієнти будь-яких тіл, чи то газоподібних, рідких чи твердих, завжди більші за 1. В основному їх значення коливаються від 1 до 2. Вище 2 ця величина може бути тільки у виняткових випадках. Значення цього параметра для деяких середовищ:
Ця величина у застосуванні до найтвердішої природної речовини на планеті, алмазу, становить 2,42. Дуже часто під час проведення наукових дослідженьі т. д. потрібно знати показник заломлення води. Цей параметр складає 1,334.
Оскільки довжина хвилі – показник, зрозуміло, непостійний, до літери n приписується індекс. Його значення і допомагає зрозуміти, до якої хвилі спектра цей коефіцієнт відноситься. При розгляді однієї й тієї ж речовини, але зі збільшенням довжини світлової хвилі, показник заломлення буде зменшуватися. Цією обставиною і викликане розкладання світла на спектр під час проходження через лінзу, призму тощо.
За величиною коефіцієнта заломлення можна визначити, наприклад, скільки однієї речовини розчинено в іншому. Це буває корисним, припустимо, у пивоварінні або коли необхідно дізнатися концентрацію цукру, фруктів чи ягід у соку. Цей показник важливий і щодо якості нафтопродуктів, й у ювелірному справі, коли треба довести справжність каменю тощо.
Без використання будь-якої речовини шкала, видима в окулярі приладу, повністю пофарбована в блакитний колір. Якщо капнути на призму звичайної дистильованої води, при правильному калібруванні інструменту межа синього та білого квітівпроходитиме строго за нульовою позначкою. При дослідженні іншої речовини вона зміститься за шкалою відповідно до того, який показник заломлення йому властивий.
ПРИМІЛКИ ПОКАЗНИК(заломлення коефіцієнт) – оптич. характеристика середовища, пов'язана з заломленням світлана межі розділу двох прозорих оптично однорідних та ізотропних середовищ при переході його з одного середовища в інше і обумовлена різницею фазових швидкостей поширення світла та в середовищах. Величина П. п., рівна відношеннюцих швидкостейназ. відносним
П. п. цих середовищ. Якщо світло падає на другу плі перше середовище (де швидкість поширення світла с), то величини зв. абсолютними П. п. даних середовищ. При цьому закон заломлення може бути записаний у вигляді де-кути падіння і заломлення.
Величина абсолютного П. п. залежить від природи та будови речовини, її агрегатного стану, темп-ри, тиску та ін При великих інтенсивностях П. п. залежить від інтенсивності світла (див. Нелінійна оптика). У ряду речовин П. п. змінюється під дією зовніш. електрич. поля ( Керра ефект- у рідинах та газах; електрооптич. ефект Поккельса- у кристалах).
Для цього середовища П. п. залежить від довжини хвилі світла l, причому в області смуг поглинання ця залежність має аномальний характер (див. Дисперсія світла). У рентг. області П. п. практично для всіх середовищ близький до 1, видимої областідля рідин та твердих тіл- порядку 1,5; в ІЧ-області для низки прозорих середовищ 4,0 (Ge).
Літ.:Ландсберг Р. С., Оптика, 5 видавництва, М., 1976; Сивухін Д. В., Загальний курс, 2 видавництва, [т. 4] - Оптика, М., 1985. Ст. І. Малишев,
