В каких пределах изменяется показатель преломления для жидкостей

Показатель преломления

Показатель преломления — оптическая характеристика среды, связанная с преломлением света на границе раздела двух прозрачных сред при переходе его из одной среды в другую, обусловленным различием скоростей распространения света в этих средах.

Различают абсолютный и относительный показатели преломления.
Абсолютным показателем преломления называют отношение скорости света в вакууме с к скорости света и в данной среде: п = для любой среды п > 1. Абсолютный показатель преломления зависит от рода и строения вещества, его агрегатного состояния, температуры, давления и от длины волны света. Для твердых тел значение абсолютного показателя преломления изменяется от 1,3 до 4,0, для жидкостей — от 1,2 до 1,9 и для газов — от 1,000035 до 1,000702. Для воздуха при атмосферном давлении и температуре 20 °с абсолютный показатель преломления равен 1,00029.

Относительным показателем преломления п21 второй среды относительно первой называется отношение скорости v1 света в первой среде к скорости v2 света во второй среде: п21 = -у- = —, где п1 и п2 — абсолютные показатели преломления первой и второй сред.
Показатель преломления — безразмерная величина.
Полное отражение света — отражение света при его падении на границу раздела двух сред с абсолютными показателями преломления и п2 (t из среды с большим показателем преломления (пг> п2) под углом а3 > апр .: луч 3). Угол апр называется предельным углом полного отражения, и его значение находят из закона преломления
Полное отражение широко используется в различных оптических устройствах, например в оптических призмах, световодах.

Refractive Index: All You Need to Know

Пожалуйста, расскажите о вашей задаче. Запросить цены или информацию Позвонить специалисту Запросить информацию Запросить онлайн-демо /content/ru/ru/home/applications/Application_Browse_Laboratory_Analytics/Refractive_index/definition_and_measurement.fb.1.c.11.html Запросить цены

Что такое показатель преломления?

Показатель преломления вещества — это отношение скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде. Показатель преломления — безразмерная величина, которая зависит от температуры и длины волны света. Показатель преломления характеризует скорость распространения света в среде и рассчитывается по формуле:

n = c / v,

n — показатель преломления;
c — скорость света в вакууме (или воздухе);
v — скорость света в среде (например, воде, оливковом масле и т. п.).

На этой странице приведена необходимая информация о методах измерения показателя преломления.

Узнайте больше о показателе преломления, его применении, способах измерения, а также о законе преломления света и многом другом.

Перейдите в один из следующих разделов, чтобы узнать больше о показателе преломления:

• Преломление света: практический пример
• Закон преломления света (закон Снеллиуса)
  
• Полное внутреннее отражение и критический угол
• Закон преломления света и устройство рефрактометра
• Измерение показателя преломления: что измеряет рефрактометр?
• Факторы, влияющие на величину показателя преломления
• Показатель преломления: применение на практике
• Абсолютный и относительный показатель преломления
• Рекомендации по измерению показателя преломления
• Совершенствуйте методику измерения показателя преломления
• Приблизительные значения показателя преломления стандартных и эталонных веществ
• Часто задаваемые вопросы

Преломление света: практический пример

Прежде чем углубиться в теоретическое обоснование показателя преломления, рассмотрим наглядный пример распространения света в различных средах.

На иллюстрации изображены три стакана с опущенными в них стеклянными палочками. Стаканы заполнены разными жидкостями:

Жидкость в стакане
1 Вода.
2 Вода и кедровое масло.
3 Кедровое масло.

Что мы видим в этих стаканах?

Показатель преломления воды (n = 1,333) ниже, чем стекла (n = 1,517). По этой причине стеклянную палочку видно в стакане 1 и отчасти — в стакане 2.

Зато у стеклянной палочки (n = 1,517) и кедрового масла (n = 1,516) показатели преломления почти одинаковые, поэтому кажется, что палочка при погружении в кедровое масло исчезает (частично в стакане 2 и полностью в стакане 3).

Закон преломления света (закон Снеллиуса)

Закон преломления света, известный также как закон Снеллиуса, описывает взаимосвязь углов падения и преломления с показателями преломления граничащих сред. Как показано на иллюстрации, согласно этому закону отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β (и показателей преломления n₁ и n₂) — это величина, постоянная для двух данных сред:

На иллюстрации показано, как отклоняется световой луч (1, синяя стрелка), проходящий под определенным углом из оптически менее плотной (n₁) в оптически более плотную среду (n₂), например из воздуха в воду.

Но когда луч проходит из одной среды в другую перпендикулярно границе раздела, никакого преломления не происходит (зеленая стрелка).

Согласно закону преломления света, отношение показателей преломления граничащих сред пропорционально отношению угла падения и угла преломления светового луча. То есть:

Полное внутреннее отражение и критический угол

Полное внутреннее отражение возникает, когда весь свет, направленный из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, отражается обратно в оптически более плотную среду. Для понимания этого явления рассмотрим иллюстрацию слева.

Синяя стрелка: луч света преломляется, проходя из оптически более плотной среды (n₂) в оптически менее плотную (n₁).

Угол падения α увеличивается (зеленая стрелка): когда угол падения α возрастает (1), он может достигнуть критической величины, после которой свет не проходит в оптически менее плотную среду (n₁), а отражается вдоль раздела двух сред. Такой угол падения называют критическим углом полного внутреннего отражения. Заметим, что при этом угол отражения β = 90°.

Угол падения больше критической величины: если угол падения превышает критическую величину, свет полностью отражается обратно в оптически более плотную среду (n₂). Это явление называют полным внутренним отражением (2).

Показатель преломления n1 рассчитывается по величине критического угла α, когда
β = 90° —> sin β = 1.

Внимание! Луч в случае 1 (зеленая стрелка) падает под критическим углом, а полное внутренне отражение происходит в случае 2 (голубая стрелка).

Закон преломления света и устройство рефрактометра

На основе описанного выше закона преломления света созданы рефрактометры — приборы для измерения показателя преломления жидкостей и высоковязких веществ.

На иллюстрации схематически показано устройство измерительной ячейки цифрового рефрактометра, в котором использован закон преломления света. Процедура измерения связана с полным внутренним отражением и критической величиной угла падения света. Принцип действия:

Источник света (1) — светодиод (LED). Луч света от светодиода проходит через поляризационный фильтр (2), интерференционный фильтр (3) и фокусирующие линзы (4), а затем через сапфировую призму (5) на образец.

Когда угол падения превышает критическую величину, отраженный свет попадает через линзу (6) на оптический датчик с зарядовой связью (7), который фиксирует критический угол. Кроме того, современные цифровые рефрактометры автоматически контролируют температуру на поверхности раздела призма/образец для повышения точности измерения.

Измерение показателя преломления: что измеряет рефрактометр?

Цифровой рефрактометр предназначен для измерения показателя преломления и связанных с ним характеристик жидкостей по методу полного внутреннего отражения. Процедура измерения автоматизирована, благодаря чему точность результатов не зависит от оператора. Измерение выполняется в течение нескольких секунд с высокой точностью на небольших образцах (объемом от 0,5 до 1 мл).

Также для измерения показателя преломления используются ручные рефрактометры, например оптический настольный рефрактометр Аббе или обычный переносной рефрактометр. Подробнее об их достоинствах и недостатках.

Факторы, влияющие на величину показателя преломления

Влияние температуры на измерение показателя преломления

Как зависит величина показателя преломления от температуры?

Сначала узнаем, как влияет температура на жидкости. С ростом температуры увеличивается пространство, которое занимают атомы, связанные между собой в одной молекуле. При нагревании усиливаются колебания атомов, атомы отодвигаются друг от друга раздвигаются, что приводит к снижению оптической плотности среды.

Как сказано выше, показатель преломления связан со скоростью распространения света в среде. Когда температура растет, оптическая плотность среды снижается, а скорость света в ней увеличивается, что приводит к небольшому изменению угла преломления. Другими словами, чем выше температура, тем меньше показатель преломления, как показано на графике ниже на примере воды.

Из графика видно, что температура образца существенно влияет на измеряемую величину. Это означает, что температуру следует точно измерять и по возможности регулировать.

Приборы старой конструкции, например рефрактометры Аббе, приходится помещать в жидкостный термостат. В большинстве современных цифровых рефрактометров температура оптической системы регулируется с помощью элемента Пельтье. Такая конструкция обеспечивает быстрое и точное измерение показателя преломления.

Влияние длины волны на измерение показателя преломления

Вследствие различной дисперсии света (дисперсионного соотношения) в разных веществах показатели преломления также почти всегда различаются в зависимости от длины волны света, используемого для измерения. Дисперсионное соотношение можно рассчитать следующим образом.

Мы знаем, что скорость распространения света в среде равна:

где:
n — показатель преломления;
c — скорость света в вакууме (или воздухе);
v — скорость света в данной среде.

Длина волны в этой же среде:

где: λ₀ — длина световой волны в вакууме (или воздухе).

Следовательно, величина показателя преломления (n) обратно пропорциональна как длине волны, так и скорости распространения света в среде. Это означает, что при большей длине волны показатель преломления уменьшается. Такое соотношение можно представить в виде уравнения:

В то же время для контроля качества в промышленности необходимо иметь определенную точную длину волны, чтобы сравнивать значения показателя преломления различных образцов, измеренные в одинаковых условиях.

Чаще всего в рефрактометрах используется желтая линия спектра натрия с длиной волны 589,3 нм. Желтая линия натрия уже давно используется для измерения показателя преломления. Это широко доступный, надежный и стабильный стандарт оптического излучения.

n = показатель преломления.

t = температура (°C).

D = желтая линия натрия.

Значение показателя преломления, измеренное по желтой линии натрия, обозначается символом nD.

Показатель преломления: применение на практике

Любой материал, который взаимодействует со светом, можно характеризовать показателем преломления. Во многих отраслях промышленности измерение показателя преломления используется для проверки чистоты и концентрации жидких, высоковязких и твердых образцов. Показатель преломления жидких и высоковязких материалов измеряется с высокой точностью (погрешность от ± 0,00002).

Кроме того, показатель преломления можно сопоставлять с широким диапазоном концентраций. Эту зависимость используют для анализа многих материалов в разных отраслях, например:

• Производство пищевых продуктов и напитков: плотность (содержание сахара) по шкале Брикса для безалкогольных напитков или плотность виноградного сусла по шкале Эксле.
• Химическая промышленность: температура замерзания (°C или °F), концентрация кислоты/щелочи, содержание органических растворителей или неорганических солей в объемных или весовых процентах.
• Производство и клинические исследования лекарств: содержание перекиси или метилового спирта, концентрация различных веществ в моче.

В некоторых случаях измерение показателя преломления сочетают с измерением плотности, получая простой и эффективный метод контроля. Такой анализ можно полностью автоматизировать.

Требуется более подробная информация о показателях Брикса, Плато, Баллинга и Боме?

Наряду с плотностью по шкале Брикса, существуют другие сопоставимые единицы для измерения содержания сахарозы, например градусы Плато, Боме, Эксле и Баллинга. Узнайте больше об их различиях, применении, способах измерения и расчета.

Вопрос по физике, помогите разобраться, добрые люди!

Рефрактометрия (от лат. refractus — преломленный и греч. metreo — измеряю) — это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.

Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов — относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Например, показатель преломления при 20°С для D-линии спектра натрия (l = 589 нм) — nD20. Часто используют также линии спектра водорода С (l = 656 нм) и F (l = 486 нм). В случае газов необходимо также учитывать зависимость n от давления (указывать его или приводить данные к нормальному давлению).

В идеальных системах (образующихся без изменения объема и поляризуемости компонентов) зависимость показателя преломления от состава близка к линейной, если состав выражен в объемных долях (процентах)

где n, n1, n2 — показатели преломления смеси и компонентов,

V1 и V2 — объемные доли компонентов (V1 + V2 = 1).

Для рефрактометрии растворов в широких диапазонах концентраций пользуются таблицами или эмпирическими формулами, важнейшие из которых (для растворов сахарозы, этанола и др.) утверждаются международными соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции.

Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.

Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.

Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от –0,0004 до –0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (–0,0001), глицерин (–0,0002), гликоль (–0,00026).

Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 – 20°С). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида: nt=n0+at+bt2+…

Давление влияет на показатель преломления жидкостей значительно меньше, чем температура. При изменении давления на 1 атм. изменение n составляет для воды 1,48? 10-5, для спирта 3,95? 10-5, для бензола 4,8? 10-5. То есть изменение температуры на 1°С влияет на показатель преломления жидкости примерно также, как изменение давления на 10 атм.

Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять nD в «белом» свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 -10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала.

Работа № 53 определение показателя преломления жидкостей рефрактометром Краткая теория

Показатель преломления является важной характеристикой вещества, связанной с другими его свойствами. Например, показатель преломления растворов зависит от концентрации сухого вещества в растворе, показатель преломления сыворотки крови зависит от содержания в ней белка.

Для быстрого и удобного определения показателя преломления жидкости существует специальный прибор – рефрактометр. Измерения показателя преломления при помощи рефрактометра сводятся к измерению величины предельного угла полного внутреннего отражения.

Из курса физики известно, что при переходе света из одной среды в другую он преломляется. При этом имеют место следующие закономерности (законы преломления света):

• луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным в точке падения;
• отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред:

, (1.1) где n_2,1– относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Для всех оптически изотропных сред показатель преломления не зависит от угла падения луча и определяется свойствами двух сред, через границу раздела которых проходит свет. Он является функцией длины волны света n=f(). Относительный показатель преломления равен отношению скоростей распространения света в двух данных средах: , (1.2) где: С₁– скорость света в одной среде; С₂– скорость света в другой среде. Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде и(1.3) Так как скорость света в вакууме является наибольшей, то абсолютный показатель преломления для всех сред всегда больше единицы. С учетом выражений (1.2) и (1.3) закон преломления света (1.1) примет вид: (1.4) Относительный показатель преломления показывает отношение скоростей света двух сред и он может быть больше или меньше единицы в зависимости от оптических плотностей сред. Принято называть среду оптически более плотной по сравнению с другой средой, если скорость распространения света в ней меньше, чем во второй среде. Явление полного внутреннего отражения имеет место при переходе света из среды оптически более плотной, в среду оптически менее плотную. Рис. 1.1 Как следует из (1.4) в этом случае в оптически более плотной среде всегда существует такой луч КО(рис 1.1), который после преломления скользит вдоль поверхности раздела двух сред, т.е. образует с перпендикуляромСОугол=. Всякий луч, падающий на поверхность разделаАВпод углом>ДОК=_пр, не преломляется, а отражается назад в оптически более плотную среду. Поэтому угол ДОК называют предельным углом падения (предельным углом полного внутреннего отражения) и образуют “_пр”. Выражение (1.4) при этом имеет вид: (1.5) Если лучи света будут идти в обратном направлении, т.е. из среды менее плотной в среду оптически более плотную, то согласно принципу обратимости хода лучей, на рис.1.1. изменится только направление хода лучей. В этом случае лучу с углом падения 90 0 будет соответствовать более плотной среде преломленный луч с углом преломления, равным_пред. Рассмотрим пучок лучей, идущих из среды менее плотной, например, из жидкости с показателем преломленияn₁, в более плотную (например, тяжелое стекло с большим показателем преломленияn₂), и падающих на границу раздела этих сред в точке О. Рис. 1.2 На рис.1.2. видно, что в менее плотной среде падающие лучи полностью заполняют равный угол между границей раздела и перпендикулярной к ней в точке О (АОС). В более плотной среде они заполняют лишь угол между лучом ОК и перпендикуляром к границе раздела, равный_пред(DОК). Поверхность ДКВ, ограничивающая более плотную среду, будет освещена не полностью, а лишь в пределах того угла КОВ на эту поверхность не будет попадать ни один луч, идущий из менее плотной среды через точку О. Следовательно, на рассматриваемой поверхности образуются два поля – светлееDК и темнее КВ. Граница этих полей тем ниже (угол_предтем меньше), чем меньше показатель преломленияn₁менее плотной среды по сравнению с показателем преломления более плотной среды. Таким образом, по положению границы между темным и светлым полями, т.е. по величине преломленного угла_предможно судить о показателе преломленияn₁испытуемой жидкости при неизменном показателе преломленияn₂(стекла).