У якому середовищі показник заломлення більший. Абсолютний показник заломлення та його зв'язок з відносним показником заломлення
Заломлення або рефракція - це явище, при якому відбувається зміна спрямованості променя світла, або інших хвиль, коли вони переходять кордон, що розділяє два середовища, як прозорі (пропускають ці хвилі), так і всередині середовища, в якому безперервно змінюються властивості.
З явищем заломлення ми стикаємося досить часто й сприймаємо звичайним явищем: можемо побачити, що паличка, що у прозорому склянці з пофарбованої рідиною, «переломлена» у місці поділу повітря та води (рис. 1). При заломленні та відображенні світла під час дощу ми радіємо, побачивши веселку (рис. 2).
Показник заломлення – важлива характеристика речовини, пов'язана з її фізико-хімічними властивостями. Він залежить від значень температур, і навіть від довжини світлових хвиль, у яких проводиться визначення. За даними контролю якості у розчині на показник заломлення впливає концентрація розчиненої у ньому речовини, і навіть природа розчинника. Зокрема, на показник заломлення кров'яної сироватки впливає кількість білка, що міститься у ній. Якщо ми розділимо світлову швидкість у вакуумі на світлову швидкість у досліджуваній речовині, вийде абсолютний показник заломлення (індекс рефракції). Практично визначається показник заломлення відносний (n ), що є відношенням світлової швидкості в повітрі до світлової швидкості в досліджуваній речовині.
Кількісно показник заломлення визначають, використовуючи спеціальний прилад рефрактометр.
Рефрактометрія - один із найлегших методів фізичного аналізу і може застосовуватися в лабораторіях контролю якості при виробництві хімічної, харчової, біологічно активних добавок до їжі, косметичної та інших видів продукції з мінімальними витратами часу та кількості досліджуваних проб.
Конструкція рефрактометра полягає в тому, що промені світла повністю відбиваються, коли переходять через межу двох середовищ (одне їх – це призма зі скла, інша – досліджуваний розчин) (рис. 3).
| Мал. 3. Схема рефрактометра |
Від джерела (1) світловий промінь падає на дзеркальну поверхню (2), потім, відбиваючись, переходить у верхню призму освітлювальну (3), потім у нижню вимірювальну призму (4), яка виготовлена зі скла, що володіє великим показником заломлення. Між призмами (3) та (4) за допомогою капіляра наносять 1–2 крапельки проби. Щоб не завдати призмі механічних пошкоджень, необхідно не торкатися капіляром поверхні.
В окулярі (9) бачать поле з перехрещеними лініями, щоб встановити межу розділу. Переміщуючи окуляр, точку перетину полів потрібно поєднати з межею розділу (рис. 4). Площина призми (4) відіграє роль межі розділу, на поверхні якої заломлюється світловий промінь. Так як промені розсіюються, межа світла і тіні виходить розпливчастою, райдужною. Це усувається компенсатором дисперсії (5). Потім промінь пропускається об'єктивом (6) та призмою (7). На пластині (8) є візирні штрихи (дві прямі лінії, пересічені хрестоподібно), а також шкала з показниками заломлення, яка спостерігається в окуляр (9). Нею і відраховується показник заломлення.
Лінія поділу меж полів буде відповідати куту внутрішнього повного відображення, що залежить від показника заломлення проби.
Рефрактометрія застосовується з метою встановлення чистоти та справжності речовини. Цей метод застосовується також, щоб при контролі якості визначити концентрацію речовин у розчинах, яку обчислюють за градуювальним графіком (графік, що показує залежність показника заломлення проби від її концентрації).
У компанії «КорольовФарм» показник заломлення визначається згідно із затвердженою нормативною документацією при вхідному контролі сировини, в екстрактах власного виробництва, а також при випуску готової продукції. Визначення проводиться кваліфікованими співробітниками акредитованої фізико-хімічної лабораторії за допомогою рефрактометра ІРФ – 454 Б2М.
Якщо за результатами вхідного контролю сировини показник заломлення відповідає необхідним вимогам, відділом контролю якості оформляється Акт про невідповідність, виходячи з якого дана партія сировини повертається постачальнику.
Методика визначення
1. Перед початком вимірювань перевіряється чистота поверхонь призм, що стикаються між собою.
2. Перевірка точки нуля. На поверхню призми вимірювальної наносимо 2÷3 краплі дистильованої води, обережно закриваємо призмою освітлювальної. Відкриваємо освітлювальне віконце і, застосовуючи дзеркало, встановлюємо світлове джерело найбільш інтенсивно. Обертаючи гвинти окуляра, отримуємо в його полі зору чітке, різке розмежування темного та світлого полів. Обертаємо гвинт і наводимо лінію тіні і світла так, щоб вона збіглася з точкою, в якій перетинаються лінії у верхньому вікні окуляра. На вертикальній лінії в нижньому вікні окуляра бачимо потрібний результат – показник заломлення дистильованої води при 20 ° С (1,333). Якщо показання інші, встановлюємо гвинтом показник заломлення значення 1,333, і за допомогою ключа (зняти гвинт регулювальний) наводимо межу тіні і світла до місця точки перетину ліній.
3. Визначаємо коефіцієнт заломлення. Піднімаємо камеру призми освітлювальним і папером фільтрувальним або марлевою серветкою знімаємо воду. Далі наносимо 1-2 краплі випробуваного розчину на поверхню вимірювальної призми і закриваємо камеру. Обертаємо гвинти до моменту, поки межі тіні і світла не збігатимуться з точкою перетину ліній. На вертикальній лінії в нижньому вікні окуляра бачимо потрібний результат - показник заломлення досліджуваної проби. Проводимо підрахунок коефіцієнта заломлення за шкалою в нижньому вікні окуляра.
4. Використовуючи градуювальний графік, встановлюємо взаємозв'язок між концентрацією розчину та показником заломлення. Щоб побудувати графік, необхідно приготувати стандартні розчини кількох концентрацій, використовуючи препарати хімічно чистих речовин, виміряти їх показники заломлення і відкласти отримані значення на осі ординат, на осі абсцис відкласти відповідні концентрації розчинів. Необхідно вибирати інтервали концентрацій, при яких між концентрацією та показником заломлення спостерігається лінійна залежність. Вимірюємо показник заломлення досліджуваної проби та за допомогою графіка визначаємо його концентрацію.
Лабораторна робота
Заломлення світла. Вимірювання показника заломлення рідини
за допомогою рефрактометра
Мета роботи: поглиблення уявлень про явище заломлення світла; вивчення методики вимірювання показника заломлення рідких середовищ; вивчення принципу роботи із рефрактометром.
УстаткуванняКабіна: рефрактометр, розчини кухонної солі, піпетка, м'яка тканина для протирання оптичних деталей приладів.
Теорія
Закони відображення та заломлення світла. Показник заломлення.
На межі поділу середовищ світло змінює напрямок свого поширення. Частина світлової енергії повертається у середу, тобто. відбувається відбиття світла. Якщо друге середовище прозоре, то частина світла за певних умов проходить через межу розділу середовищ, змінюючи при цьому, як правило, напрямок поширення. Це явище називається заломленням світла (Рис. 1).
Мал. 1. Відображення та заломлення світла на плоскій межі розділу двох середовищ.
Напрямок відбитого та заломленого променів при проходженні світла через плоску межу розділу двох прозорих середовищ визначаються законами відбиття та заломлення світла.
Закон відображення світла.Відбитий промінь лежить у одній площині з падаючим променем і нормаллю, відновленої до площині розділу середовищ у точці падіння. Кут падіння дорівнює куту відображення .
Закон заломлення світла.Заломлений промінь лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю, відновленою до площини поділу середовищ у точці падіння. Відношення синуса кута падіння α до синуса кута заломлення β є величина стала для даних двох середовищ, звана відносним показником заломлення другого середовища по відношенню до першої:
Відносний показник заломлення двох середовищ дорівнює відношенню швидкості поширення світла в першому середовищіv 1 до швидкості світла в другому середовищіv 2:
Якщо світло йде з вакууму в середу, то показник заломлення середовища щодо вакууму називається абсолютним показником заломлення цього середовища і дорівнює відношенню швидкості світла у вакуумі здо швидкості світла в даному середовищі:
Абсолютні показники заломлення завжди більше одиниці; для повітря nприйнято за одиницю.
Відносний показник заломлення двох середовищ можна виразити через їх абсолютні показники n 1 і n 2 :
Визначення показника заломлення рідини
Для швидкого та зручного визначення показника заломлення рідин існує спеціальні оптичні прилади – рефрактометри, основною частиною яких є дві призми (рис. 2): допоміжна Пр. 1та вимірювальна Пр.2.У зазор між призмами наливається рідина, що досліджується.
При вимірюваннях показників можуть бути використані два методи: метод ковзного променя (для прозорих рідин) та метод повного внутрішнього відбиття (для темних, каламутних та пофарбованих розчинів). У цьому роботі використовується перший їх.
У методі ковзного променя світло від зовнішнього джерела проходить крізь межу AВпризми Пр.1,розсіюється на її матовій поверхні АСі далі через шар досліджуваної рідини проникає у призму Пр.2.Матова поверхня стає джерелом променів усіх напрямків, тому вона може спостерігатися крізь межу ЕF призми Пр.2.Проте грань АСможна спостерігати крізь ЕFтільки під кутом, великим деякого граничного мінімального кута i. Величина цього кута однозначно пов'язана з показником заломлення рідини, що знаходиться між призмами, що й стане основною ідеєю конструкції рефрактометра.
Розглянемо проходження світла через межу ЕFнижньої вимірювальної призми Пр.2.Як видно із рис. 2, застосовуючи двічі закон заломлення світла, можна отримати два співвідношення:
Вирішуючи цю систему рівнянь, неважко дійти висновку, що показник заломлення рідини
залежить від чотирьох величин: Q, r, r 1 і i. Проте чи всі вони незалежні. Так наприклад,
r+ s= R , (4)
де R - заломлюючий кут призми Пр.2. Крім того, задавши куту Qмаксимальне значення 90°, з рівняння (1) отримаємо:
Але максимальному значенню кута r , як це видно із рис. 2 та співвідношень (3) і (4), відповідають мінімальні значення кутів i і r 1 , тобто. i min і r min .
Таким чином, показник заломлення рідини для випадку "ковзаючих" променів пов'язаний тільки з кутом. i. При цьому існує мінімальне значення кута i, коли грань АСще спостерігається, т. е. у зору вона здається дзеркально білої. Для менших кутів спостереження грань не видно, й у зору це місце здається чорним. Оскільки зорова труба приладу захоплює порівняно широку кутову зону, то поле зору одночасно спостерігаються світлий і чорний ділянки, межа між якими відповідає мінімальному куту спостереження і однозначно пов'язана з показником заломлення рідини. Використовуючи остаточну розрахункову формулу:
(її висновок опущений) та ряд рідин з відомими показниками заломлення, можна проградуювати прилад, тобто встановити однозначну відповідність між показниками заломлення рідин та кутами i min . Усі наведені формули виведені для променів однієї довжини хвилі.
Світло різних довжин хвиль переломлюватиметься з урахуванням дисперсії призми. Таким чином, при освітленні призми білим світлом межа розділу буде розмита та забарвлена в різні кольори внаслідок дисперсії. Тому в кожному рефрактометрі є компенсатор, який дає змогу усунути результат дисперсії. Він може складатися з однієї або двох призм прямого зору – призм Амічі. Кожна призма Амічі складається з трьох скляних призм з різними показниками заломлення та різною дисперсією, наприклад, крайні призми виготовлені з кронгласу, а середня – з флінтгласу (кронглас та флінтглас – сорти скла). Поворотом призми компенсатора за допомогою спеціального пристрою добиваються різкого без забарвлення зображення межі розділу, положення якої відповідає значенню показника заломлення жовтої лінії натрію λ =5893 Å (призми розраховані так, щоб промені з довжиною хвилі 5893 Å не відчували в них відхилення).
Промені, що пройшли компенсатор, потрапляють в об'єктив зорової труби, далі через призму, що звертає, проходять через окуляр зорової труби в око спостерігача. Схематичний перебіг променів показано на рис. 3.
Шкала рефрактометра відградуйована у значеннях показника заломлення та концентрації розчину сахарози у воді та розташована у фокальній площині окуляра.
експериментальна частина
Завдання 1. Перевірка рефрактометра.
Спрямуйте світло за допомогою дзеркала на допоміжну призму рефрактометра. Піднявши допоміжну призму, нанесіть піпеткою кілька крапель дистильованої води на вимірювальну призму. Опустивши допоміжну призму, досягайте найкращої освітленості поля зору та встановіть окуляр на чітку видимість перехрестя та шкали показників заломлення. Повертаючи камеру вимірювальної призми, отримайте в полі зору межу світла та тіні. Обертаючи головку компенсатора, досягніть усунення забарвлення межі світла і тіні. Поєднайте межу світла та тіні з точкою перехрестя та виміряйте показник заломлення води n ізм . Якщо рефрактометр справний, то для дистильованої води має вийти значення n 0 = 1,333, якщо показання відрізняються від цього значення, потрібно визначити виправлення Δn= n ізм - 1333, яку потім слід враховувати при подальшій роботі з рефрактометром. Поправки внесіть до таблиці 1.
Таблиця 1.
|
n 0 |
n ізм |
Δ n |
|
|
Н 2 Про |
Завдання 2. Визначення показника заломлення рідини.
Визначте показники заломлення розчинів відомих концентрацій із урахуванням знайденої поправки.
Таблиця 2.
|
З, про. % |
n ізм |
n іст |
Побудуйте графік залежності показника заломлення розчинів кухонної солі від концентрації за отриманими результатами. Зробіть висновок про перебіг залежності n від; зробіть висновки щодо точності вимірювань на рефрактометрі.
Візьміть розчин солі невідомої концентрації З x , визначте його показник заломлення та за графіком знайдіть концентрацію розчину.
Приберіть робоче місце, обережно протріть призми рефрактометрів чистою вологою ганчірочкою.
Контрольні питання
Відображення та заломлення світла.
Абсолютний та відносний показники заломлення середовища.
Принцип роботи рефрактометрів. Метод ковзного променя.
Схематичний перебіг променів у призмі. Навіщо необхідні призми компенсатора?
Поширення, відображення та заломлення світла
Природа світла – електромагнітна. Одним із доказів цього є збіг величин швидкостей електромагнітних хвиль та світла у вакуумі.
У однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно. Це твердження називається законом прямолінійного поширення світла. Досвідченим доказом цього закону є різкі тіні, що даються точковими джерелами світла.
Геометричну лінію, що вказує напрямок поширення світла, називають світловим променем. В ізотропному середовищі світлові промені спрямовані перпендикулярно до хвильового фронту.
Геометричне місце точок середовища, що коливаються в однаковій фазі, називають хвильовою поверхнею, а безліч точок, до яких дійшло коливання на даний момент часу, - фронтом хвилі. Залежно від виду фронту хвилі розрізняють плоскі та сферичні хвилі.
Для пояснення процесу поширення світла використовують загальний принцип хвильової теорії про переміщення фронту хвилі у просторі, запропонований голландським фізиком Х.Гюйгенсом. Згідно з принципом Гюйгенса кожна точка середовища, до якої доходить світлове збудження, є центром вторинних сферичних хвиль, що поширюються також зі швидкістю світла. Поверхня, що огинає фронти цих вторинних хвиль, дає положення фронту хвилі, що дійсно розповсюджується в цей момент часу.
Необхідно розрізняти світлові пучки та світлові промені. Світловий пучок – це частина світлової хвилі, яка переносить світлову енергію у заданому напрямку. При заміні світлового пучка описуючим його світловим променем останній потрібно брати збігаються з віссю досить вузького, але має при цьому кінцеву ширину (розміри поперечного перерізу значно більше за довжину хвилі), світлового пучка.
Розрізняють розбіжні, схожі та квазіпаралельні світлові пучки. Часто використовують терміни пучок світлових променів чи навіть світлові промені, розуміючи під цим сукупність світлових променів, що описують реальний світловий пучок.
Швидкість світла у вакуумі c = 3108 м/с є універсальною константою і не залежить від частоти. Вперше експериментально швидкість світла було визначено астрономічним методом датським ученим О.Ремером. Точніше швидкість світла виміряв А.Майкельсон.
У речовині швидкість світла менша, ніж у вакуумі. Відношення швидкості світла у вакуумі до його швидкості у цьому середовищі називають абсолютним показником заломлення середовища:
де з – швидкість світла у вакуумі, v – швидкість світла у цьому середовищі. Абсолютні показники заломлення всіх речовин більше одиниці.
При поширенні світла у середовищі він поглинається і розсіюється, але в межі поділу середовищ – відбивається і заломлюється.
Закон відбиття світла: промінь, що падає, промінь відбитий і перпендикуляр до межі розділу двох середовищ, відновлений у точці падіння променя, лежать в одній площині; кут відбиття g дорівнює куту падіння a (рис. 1). Цей закон збігається із законом відображення хвиль будь-якої природи і може бути отриманий як наслідок принципу Гюйгенса.
Закон заломлення світла: падаючий промінь, заломлений промінь та перпендикуляр до межі розділу двох середовищ, відновлений у точці падіння променя, лежать в одній площині; відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для даної частоти світла є постійна величина, звана відносним показником заломлення другого середовища відносно першої:
Експериментально встановлений закон заломлення світла пояснюється виходячи з принципу Гюйгенса. Відповідно до хвильових уявлень заломлення є наслідком зміни швидкості поширення хвиль при переході з одного середовища в інше, а фізичний зміст відносного показника заломлення – це відношення швидкості поширення хвиль у першому середовищі v1 до швидкості їх поширення у другому середовищі
Для середовищ з абсолютними показниками заломлення n1 і n2 відносний показник заломлення другого середовища щодо першої дорівнює відношенню абсолютного показника заломлення другого середовища до абсолютного показника заломлення першого середовища:
Те середовище, яке має великий показник заломлення, називається оптично більш щільним, швидкість поширення світла в ньому менша. Якщо світло переходить з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне, то при деякому куті падіння a0 кут заломлення має стати рівним p/2. Інтенсивність заломленого променя у разі стає дорівнює нулю. Світло, що падає на межу розділу двох середовищ, повністю відбивається від неї.
Кут падіння a0, при якому настає повне внутрішнє відбиття світла, називається граничним кутом повного внутрішнього відбиття. За всіх кутів падіння, рівних і великих a0, відбувається повне відбиття світла.
Величина граничного кута виходить із співвідношення Якщо n2 = 1 (вакуум), то
2 Показник заломлення речовини - величина, що дорівнює відношенню фазових швидкостей світла (електромагнітних хвиль) у вакуумі та в даному середовищі. Також про показник заломлення говорять для будь-яких інших хвиль, наприклад, звукових.
Показник заломлення залежить від властивостей речовини і довжини хвилі випромінювання, для деяких речовин показник заломлення досить сильно змінюється при зміні частоти електромагнітних хвиль від низьких частот до оптичних і далі, а також може різкіше змінюватися в певних областях частотної шкали. За умовчанням зазвичай мають на увазі оптичний діапазон або діапазон, що визначається контекстом.
Існують оптично анізотропні речовини, у яких показник заломлення залежить від напряму та поляризації світла. Такі речовини досить поширені, зокрема, це всі кристали з досить низькою симетрією кристалічних ґрат, а також речовини, піддані механічній деформації.
Показник заломлення можна виразити як корінь із твору магнітної та діелектричних проникностей середовища
(треба при цьому враховувати, що значення магнітної проникності і показника абсолютної діелектричної проникності для діапазону частот, що цікавить - наприклад, оптичного, можуть дуже сильно відрізнятися від статичного значення цих величин).
Для вимірювання коефіцієнта заломлення використовують ручні та автоматичні рефрактометри. При використанні рефрактометра визначення концентрації цукру у водному розчині прилад називають сахариметр.
Відношення синуса кута падіння () променя до синуса кута заломлення () при переході променя з середовища A до середовища B називається відносним показником заломлення для цієї пари середовищ.
Величина nє відносний показник заломлення середовища по відношенню до середовища А, аn" = 1/nє відносний показник заломлення середовища А по відношенню до середовища В.
Ця величина, за інших рівних умов, зазвичай менше одиниці при переході променя з середовища більш щільного в середовище менш щільне, і більше одиниці при переході променя з середовища менш щільного в середовище більш щільного (наприклад, з газу або вакууму в рідину або тверде тіло ). Є винятки з цього правила, і тому прийнято називати середовище оптично більш менш щільним, ніж інше (не плутати з оптичною щільністю як мірою непрозорості середовища).
Промінь, що падає з безповітряного простору на поверхню якого-небудь середовища, переломлюється сильніше, ніж при падінні на неї з іншого середовища А; показник заломлення променя, що падає на середовище безповітряного простору, називається його абсолютним показником заломлення або просто показником заломлення даного середовища, це і є показник заломлення, визначення якого дано на початку статті. Показник заломлення будь-якого газу, в тому числі повітря, за звичайних умов набагато менше, ніж показники заломлення рідин або твердих тіл, тому приблизно (і з порівняно непоганою точністю) про абсолютний показник заломлення можна судити за показником заломлення щодо повітря.
Мал. 3. Принцип дії інтерференційного рефрактометра. Промінь світла поділяють так, щоб дві його частини пройшли через кювети довжиною l заповнені речовинами з різними показниками заломлення. На виході з кювет промені набувають певної різниці ходу і, будучи зведені разом, дають на екрані картину інтерференційних максимумів і мінімумів з порядками (схематично показано праворуч). Різниця показників заломлення Dn = n2 -n1 = kl / 2, де - довжина хвилі світла.
Рефрактометри називаються прилади, що служать для вимірювання показника заломлення речовин. Принцип дії рефрактометра ґрунтується на явищі повного відображення. Якщо на межу розділу двох середовищ з показниками заломлення і з середовища більш оптично щільною падає розсіяний пучок світла, то починаючи з деякого кута падіння, промені не входять у друге середовище, а повністю відбиваються від межі розділу в першому середовищі. Цей кут називається граничним кутом повного відбиття. На рис.1 показано поведінку променів при падінні деяку струму цієї поверхні. Промінь йде під граничним кутом. З закону заломлення можна визначити: , (оскільки).
Величина граничного кута залежить від відносного показника заломлення двох середовищ. Якщо промені, відбиті від поверхні, направити на лінзу, що збирає, то у фокальній площині лінзи можна бачити межу світла і півтіні, причому, положення цієї межі залежить від величини граничного кута, а отже, і від показника заломлення. Зміна показника заломлення однієї із середовищ тягне у себе зміна становища кордону розділу. Кордон розділу світла і тіні може бути індикатором щодо показника заломлення, що й використовується в рефрактометрах. Цей метод визначення показника заломлення називається методом повного відображення
Крім методу повного відбиття в рефрактометрах використовується метод ковзного променя. У цьому методі розсіяний пучок світла потрапляє на кордон із середовища менш оптично щільного під всілякими кутами (рис. 2). Променю ковзному поверхнею (), відповідає - граничний кут заломлення (промінь на рис.2). Якщо на шляху променів (), заломлених на поверхні, поставити лінзу, то у фокальній площині лінзи ми також побачимо різку межу світла та тіні.
Оскільки умови, що визначають величину граничного кута, в обох методах однакові, те й положення межі розділу збігається. Обидва методи рівноцінні, але метод повного відображення дозволяє вимірювати показник заломлення непрозорих речовин.
Хід променів у трикутній призмі
На малюнку 9 зображено переріз скляної призми площиною, перпендикулярною її бічним ребрам. Промінь у призмі відхиляється до основи, переломлюючись на гранях ОА та 0В. Кут між цими гранями називають заломлюючим кутом призми. Кут відхилення променя залежить від заломлюючого кута призм, показника заломлення п матеріалу призми і кута падіння. Він може бути обчислений за допомогою закону заломлення (1.4).
У рефрактометрі використовується джерело 3 білих світла. Внаслідок дисперсії при проходженні світлом призм 1 і 2 межа світла та тіні виявляється забарвленою. Щоб уникнути цього перед об'єктивом зорової труби поміщають компенсатор 4. Він складається з двох однакових призм, кожна з яких склеєна з трьох призм, що мають різний показник заломлення. Призми підбирають так, щоб монохроматичний промінь із довжиною хвилі = 589,3 мкм. (Довжина хвилі жовтої лінії натрію) не відчував після проходження компенсатора відхилення. Промені з іншими довжинами хвиль відхиляються призмами у різних напрямках. Переміщуючи призми компенсатора за допомогою спеціальної рукоятки, домагаються того, щоб межа світла і темряви стала більш чіткою.
Промені світла, пройшовши компенсатор, потрапляють в об'єктив 6 зорової труби. Зображення межі розділу світло – тінь у окуляр 7 зорової труби. Одночасно в окуляр розглядається шкала 8. Так як граничний кут заломлення та граничний кут повного відображення залежать від показника заломлення рідини, то на шкалі рефрактометра одразу нанесено значення цього показника заломлення.
Оптична система рефрактометра містить поворотну призму 5. Вона дозволяє розташувати вісь зорової труби перпендикулярно призмам 1 і 2, що робить спостереження більш зручним.
ДО ЛЕКЦІЇ №24
«ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ»
РЕФРАКТОМЕТРІЯ.
Література:
1. В.Д. Пономарьов «Аналітична хімія» 1983 246-251
2. А.А. Іщенко «Аналітична хімія» 2004 стор 181-184
РЕФРАКТОМЕТРІЯ.
Рефрактометрія є одним із найпростіших фізичних методів аналізу з витратою мінімальної кількості аналізованої речовини і 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 впливом світла молекули різних речовин поляризуються по-різному. Саме на цій залежності й ґрунтується рефрактометричний метод.
Метод цей має цілу низку переваг, у результаті він знайшов широке застосування як і хімічних дослідженнях, і при контролі технологічних процесів.
1) Вимірювання показники заломлення є дуже простим процесом, який здійснюється точно і за мінімальних витрат часу і кількості речовини.
2) Зазвичай рефрактометри забезпечують точність до 10% при визначенні показника заломлення світла та вмісту аналізованої речовини
Метод рефрактометрії застосовують контролю автентичності і чистоти, ідентифікації індивідуальних речовин, визначення будови органічних і неорганічних сполук щодо розчинів. Рефрактометрія знаходить застосування визначення складу двокомпонентних розчинів і потрійних систем.
Фізичні основи методу
ПОКАЗНИК ЗАЛОМЛЕННЯ.
Відхилення світлового променя від 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 будь-яких двох прозорих середовищ I та II (див. рис.). Умовимося, що середовище II має більшу заломлюючу здатність і, отже, n 1і n 2- Показує заломлення відповідних середовищ. Якщо середовище I - це вакуум і повітря, то відношення sin кута падіння світлового променя до sin кута заломлення дасть величину відносного показника заломлення n отн. Розмір n отн. може бути так само визначено як відношення показників заломлення середовищ, що розглядаються.
n отн. = ----- = ---
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 довжин хвиль переломлюються по-різному.
3)температури , При якій проводиться вимір. Обов'язковою умовою визначення показника заломлення є дотримання температурного режиму. Зазвичай, визначення виконується при 20±0,3 0 С.
У разі підвищення температури величина показника заломлення зменшується, при зниженні - збільшується.
Поправку на вплив температури розраховують за такою формулою:
n t =n 20 + (20-t) · 0,0002, де
n t –Бувай задавачем заломлення при даній температурі,
n 20 -показник заломлення при 20 0 С
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 20 0 С та довжині хвилі світла 589,3 нм, позначається індексом n D 20
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 розчинів речовин показники заломлення при різних концентраціях та 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 методом у багатьох випадках можна користуватися лінійним рівнянням типу:
n=n про +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. Насправді застосовуються рефрактометри різних систем: лабораторний-РЛ, універсальний РЛУ та інших.
Показник заломлення дистильованої води n 0 =1,33299, практично цей показник приймає як відлікового як n 0 =1,333.
Принцип роботи на рефрактометрах ґрунтується на визначенні показника заломлення методом граничного кута (кут повного відображення світла).
Ручний рефрактометр
Рефрактометр Аббе
В курсі фізики 8 класу ви познайомилися з явищем спотворення світла. Тепер ви знаєте, що світло є електромагнітні хвилі певного діапазону частот. Спираючись на знання про природу світла, ви зможете зрозуміти фізичну причину заломлення та пояснити багато інших пов'язаних з ним світлових явищ.
Мал. 141. Переходячи з одного середовища в інше, промінь заломлюється, тобто змінює напрямок поширення
Відповідно до закону заломлення світла (рис. 141):
- промені падаючий, заломлений і перпендикуляр, проведений до межі розділу двох середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині; відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для даних двох середовищ
де n 21 - відносний показник заломлення другого середовища щодо першої.
Якщо промінь переходить у якесь середовище з вакууму, то
де n – абсолютний показник заломлення (або просто показник заломлення) другого середовища. І тут першою «середовищем» є вакуум, абсолютний показник якого прийнято за одиницю.
Закон заломлення світла був відкритий досвідченим шляхом голландським ученим Віллебордом Снелліусом в 1621 р. Закон був сформульований в трактаті з оптики, який знайшли в паперах вченого після його смерті.
Після відкриття Снелліуса декількома вченими була висунута гіпотеза про те, що заломлення світла обумовлено зміною його швидкості при переході через кордон двох середовищ. Справедливість цієї гіпотези була підтверджена теоретичними доказами, виконаними незалежно один від одного французьким математиком П'єром Ферма (1662) і голландським фізиком Християном Гюйгенсом (1690). Різними шляхами вони дійшли одного і того ж результату, довівши, що
- відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для даних двох середовищ, що дорівнює відношенню швидкостей світла в цих середовищах:
З рівняння (3) випливає, що якщо кут заломлення β менше кута падіння а, то світло даної частоти у другому середовищі поширюється повільніше, ніж у першій, тобто V 2 Взаємозв'язок величин, що входять до рівняння (3), послужила вагомою основою появи ще одного формулювання визначення відносного показника заломлення: n 21 = v 1 / v 2 (4) Нехай промінь світла переходить із вакууму в якесь середовище. Замінивши в рівнянні (4) v1 швидкість світла у вакуумі з, а v 2 швидкість світла в середовищі v, отримаємо рівняння (5), що є визначенням абсолютного показника заломлення: Відповідно до рівнянь (4) і (5), n 21 показує, скільки разів змінюється швидкість світла при його переході з одного середовища в інше, a n - при переході з вакууму в середу. У цьому полягає фізичний зміст показників заломлення. Значення абсолютного показника заломлення будь-якої речовини більше одиниці (у цьому переконують дані, що містяться в таблицях фізичних довідників). Тоді, згідно з рівнянням (5), c/v > 1 і > v, тобто швидкість світла в будь-якій речовині менше швидкості світла у вакуумі. Не наводячи строгих обгрунтувань (вони складні і громіздкі), відзначимо, що причиною зменшення швидкості світла при переході з вакууму в речовину є взаємодія світлової хвилі з атомами і молекулами речовини. Чим більша оптична щільність речовини, тим сильніша ця взаємодія, тим менша швидкість світла і тим більший показник заломлення. Таким чином, швидкість світла в середовищі та абсолютний показник заломлення визначаються властивостями цього середовища. За числовими значеннями показників заломлення речовин можна порівнювати їх оптичні густини. Наприклад, показники заломлення різних сортів скла лежать у межах від 1,470 до 2,040, а показник заломлення води дорівнює 1,333. Значить, скло - середовище оптично щільніше, ніж вода. Звернемося до рисунка 142, за допомогою якого можна пояснити, чому на межі двох середовищ зі зміною швидкості змінюється напрямок поширення світлової хвилі. Мал. 142. При переході світлових хвиль з повітря у воду швидкість світла зменшується, фронт хвилі, а разом з ним та її швидкість змінюють напрямок На малюнку зображено світлова хвиля, що переходить з повітря у воду і падаюча на межу розділу цих середовищ під кутом а. У повітрі світло поширюється зі швидкістю v 1 , а воді - з меншою швидкістю v 2 . Першою до кордону доходить точка хвилі. За проміжок часу Δt точка В, переміщаючись у повітрі з колишньою швидкістю v 1 досягне точки В". За той же час точка А, переміщаючись у воді з меншою швидкістю v 2 , пройде меншу відстань, досягнувши тільки точки А". При цьому так званий фронт хвилі А "В" у воді виявиться повернутим на деякий кут по відношенню до фронту хвилі АВ в повітрі. А вектор швидкості (який завжди перпендикулярний до фронту хвилі і збігається з напрямом її розповсюдження) повертається, наближаючись до прямої ГО", перпендикулярної до межі розділу середовищ. При цьому кут заломлення β виявляється меншим за кут падіння α. Так відбувається заломлення світла. З малюнка видно також, що при переході в інше середовище і поворот хвильового фронту змінюється і довжина хвилі: при переході в оптично більш щільне середовище зменшується швидкість, довжина хвилі теж зменшується (λ 2< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны. Закони фізики відіграють дуже важливу роль при проведенні розрахунків для планування певної стратегії виробництва будь-якого товару або при складанні проекту спорудження різного призначення. Багато величин є розрахунковими, отже перед стартом робіт із планування виробляються вимірювання та обчислення. Наприклад, показник заломлення скла дорівнює відношенню синуса кута падіння до синуса кута заломлення. Так що спочатку йде процес вимірювання кутів, потім обчислюють їх синус, а вже потім можна отримати шукане значення. Незважаючи на наявність табличних даних, варто щоразу проводити додаткові розрахунки, оскільки в довідниках найчастіше використовуються ідеальні умови, яких досягти реального життя практично неможливо. Тому насправді показник обов'язково відрізнятиметься від табличного, а в деяких ситуаціях це має важливе значення. Абсолютний показник заломлення залежить від марки скла, тому що на практиці є безліч варіантів, що відрізняються за складом і ступенем прозорості. У середньому він становить 1,5 і коливається навколо цього значення на 0,2 у той чи інший бік. В окремих випадках можуть бути відхилення від цієї цифри. Знову ж таки, якщо важливий точний показник, то без додаткових вимірів не обійтися. Але і вони не дають стовідсотково достовірного результату, тому що на підсумкове значення впливатиме положення сонця на небосхилі та хмарність у день вимірювань. На щастя, в 99,99% випадку досить просто знати, що показник заломлення такого матеріалу, як скло більше одиниці і менше двійки, а решта десятих і сотих частин не відіграють ролі. На форумах, які займаються допомогою у вирішенні завдань з фізики, часто з'являється питання, який показник заломлення скла та алмазу? Багато хто думає, що якщо ці дві речовини схожі зовні, то й властивості у них мають бути приблизно однаковими. Але це помилка. Максимальне заломлення у скла перебуватиме на рівні близько 1,7, тоді як у алмазу цей показник досягає позначки 2,42. Даний дорогоцінний камінь є одним з небагатьох матеріалів на Землі, рівень заломлення перевищує позначку 2. Це пов'язано з його кристалічною будовою і великим рівнем розкиду світлових променів. Огранювання грає у змінах табличного значення мінімальну роль. Відносний показник для деяких середовищ можна охарактеризувати так: Вимірювання показника та обчислення відносного значення проводяться за відомим алгоритмом. Щоб знайти відносний параметр, потрібно розділити одне табличне значення інше. Або ж зробити дослідні розрахунки для двох середовищ, а потім уже ділити отримані дані. Такі операції часто проводяться на лабораторних заняттях з фізики. Визначити показник заломлення скла практично досить складно, оскільки потрібні високоточні прилади для вимірювання початкових даних. Будь-яка похибка зростатиме, оскільки під час обчислення використовуються складні формули, які потребують відсутності помилок. Взагалі цей коефіцієнт показує, у скільки разів уповільнюється швидкість поширення світлових променів при проходженні через певну перешкоду. Тому він характерний лише для прозорих матеріалів. За еталонне значення, тобто за одиницю, взято показник заломлення газів. Це було зроблено для того, щоб можна відштовхуватися від якогось значення при розрахунках. Якщо сонячний промінь падає на поверхню скла з показником заломлення, що дорівнює табличному значенню, то можна змінити його кількома способами: Якщо промінь світла переходить зі скла, то показник заломлення на наступному матеріалі розраховується за допомогою відносного коефіцієнта, який можна отримати, зіставивши між собою табличні значення. Ці обчислення дуже важливі при проектуванні оптичних систем, які мають практичне або експериментальне навантаження. Помилки тут неприпустимі, тому що вони призведуть до неправильної роботи всього приладу, і тоді будь-які отримані дані будуть марні. Щоб визначити швидкість світла у склі з показником заломлення, потрібно абсолютне значення швидкості у вакуумі розділити на величину заломлення. Вакуум використовується як еталонне середовище, тому що там не діє заломлення через відсутність будь-яких речовин, які могли б заважати безперешкодному руху світлових променів по заданій траєкторії. У будь-яких розрахункових показниках швидкість буде меншою, ніж у еталонному середовищі, оскільки коефіцієнт заломлення завжди більше одиниці.Запитання
Вправа
Абсолютний показник
Відносний показник
Визначення показника заломлення
