в чем измеряется показатель преломления
Дай Бог памяти по физике, угол меряется в градусах или радианах, а коэффициент преломления — безразмерная величина, как и все коэффициенты. В данном случае, это отношение плотностей оптических сред.
в градусах
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
Рефрактометрия
Рефрактометрия — метод исследования веществ, основанный на определении показателя преломления и некоторых его функций. Рефрактометрия применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ. В этом уроке вы узнаете, как проводится работа данным методом.
Для успешного освоения материала рекомендуем вам изучить следующие понятия:
Агрегатное состояние вещества
(от лат. aggrego «присоединяю»), физическое состояние вещества, зависящее от соответствующего сочетания температуры и давления. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин
Аддитивность
Свойство величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям
Бинарные соединения
Химические вещества, образованные двумя химическими элементами
Давление на поверхность
Экстенсивная физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. В данной точке давление определяется как отношение нормальной составляющей силы, действующей на малый элемент поверхности, к его площади
Длина волны
Расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе
Количественный анализ
Позволяет установить элементный и молекулярный состав исследуемого объекта или содержание отдельных его компонентов
Концентрация или доля компонента смеси
Величина, количественно характеризующая содержание компонента относительно всей смеси
Массовая доля элемента в данном веществе
Отношение относительной атомной массы данного элемента, умноженной на число его атомов в молекуле к относительной молекулярной массе вещества
Молекулярная рефракция
Мера электронной поляризуемости вещества, имеет размерность объема, по порядку величины совпадает с объемом всех молекул в грамм-молекуле
Молярная доля (мольная доля) вещества А
Отношение какой-либо молярной величины к одноименной молярной величине, принятой за исходную
Оптическая среда
Материал, через который распространяются электромагнитные волны
Скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объему
Показатель преломления (абсолютный показатель преломления) вещества
Величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде
Поляризация волн
Характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны
Преломление (рефракция)
Изменение направления луча, возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит, или в одной среде
Рефрактометр
Прибор, измеряющий показатель преломления света
Рефрактометрия
Метод исследования веществ, основанный на определении показателя преломления и некоторых его функций
Температура
(от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел
Удельная рефракция
Величина, характеризующая электронную поляризуемость единицы массы вещества в высокочастотном электромагнитном поле световой волны
Формула Лоренца — Лорентца
Связывает показатель преломления вещества с электронной поляризуемостью частиц (атомов, ионов, молекул), из которых оно состоит. Формулу получили датский физик Людвиг В. Лоренц (дат. Ludvig Valentin Lorenz) и голландский физик Хендрик А. Лорентц (нидерл. Hendrik Antoon Lorentz) в 1880 году независимо друг от друга
Электромагнитные волны / электромагнитное излучение
Распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля
Электронная поляризуемость
Смещение электронной плотности в атомах, молекулах, ионах относительно атомных ядер частиц под действием внешнего электрического поля напряженностью E
Электронное облако
Наглядная модель, отражающая распределение функции плотности вероятности обнаружения электрона в атоме или молекуле в зависимости от энергии электрона
Видеолекция
Рефракция — преломление световых лучей на границе раздела двух различных оптических сред.
Рефрактометрия — метод исследования веществ, основанный на определении показателя преломления и некоторых его функций.
- Определения строения координационных соединений
- Изучения водородной связи
- Идентификации химических соединений
- Количественного анализа
- Структурного анализа
- Контроля степени чистоты и качества вещества в производстве
- Идентификации соединений и количественного определения в аналитических целях
Удельная и молярная рефракции
— молярная рефракция
— удельная рефракция
— молярная масса
Установлено, что не сам показатель преломления, а некоторая функция от него прямо пропорциональна плотности:
— некоторая функция показателя преломления
— удельная рефракция
Исходя из этой функции с помощью формулы Лоренца — Лорентца можно вывести формулы удельной и молекулярной рефракций:
Удельная и молярная рефракции не зависят от внешних условий: температуры, давления, агрегатного состояния вещества.
Рефракция подчиняется правилу аддитивности. Правило аддитивности молярной рефракции для индивидуального вещества:
Правило аддитивности молярной и удельной рефракции для растворов и смесей веществ:
— молярная доля компонента в смеси
— массовая доля компонента в смеси
- природа растворенного вещества
- концентрация раствора
- длина волны падающего света
- температура.
Устройство рефрактометра
Рефрактометр состоит из двух призм: вспомогательной откидной призмы (1) с матовой гранью (2) и измерительной призмы (3). Между ними имеется тонкий зазор толщиной 0,1 мм, в который помещается несколько капель исследуемой жидкости (4). Измеряется предельный угол преломления на границе жидкость — измерительная призма. Встроенный в прибор компенсатор (6) позволяет сделать границу свет — тень черно-белой при освещении белым светом. Отсчеты производятся глазом (7).
Принцип работы рефрактометра
Луч света проходит через вспомогательную откидную призму (1) и рассеивается на нижней грани (2). При этом рассеянные лучи распространяются во всех направлениях, в том числе и параллельно поверхности измерительной призмы (3).
Далее эти лучи преломляются на границе жидкость (4) — измерительная призма (3), и, пройдя сквозь эту призму (3), попадают в устройство (5). Если граница свет — тень оказалась окрашенной и размытой, надо с помощью компенсатора (6) добиться резкой черно-белой границы. Конструкция отсчетного устройства позволяет при повороте специального рычага совместить границу свет — тень с маркером отсчетного устройства.
Применение рефрактометров в фармацевтике
Процесс измерения концентрации различных веществ методом измерения преломления и определения коэффициента преломления получил своё название — рефрактометрия. Приборы, использующие в своей работе принцип рефрактометрии, называются рефрактометрами. Широкое применение рефрактометры получили в разных промышленностях: для идентификации химических соединений, определения физико-химических параметров, для количественного и структурного анализа. В пищевой промышленности — для измерения содержания спирта в алкогольных продуктах, контроля содержания сахара в сахарном производстве — в общем, для установления качества пищевых продуктов. В фармакологии рефрактометры применяются для определения количества глюкозы в биологических жидкостях и лекарственных средств в растворах. Достоинства рефрактометрических методов химического количественного анализа — быстрота измерений, малый расход вещества и высокая точность.
Задача работы: Рефрактометрический метод как метод анализа лекарственных веществ. Актуальность использования рефрактометров и поляриметров ATAGO в фармацевтике и, как частное, – в аптеках.
Теоретическая часть.
Показателем преломления (индексом рефракции) называют отношение скорости света в вакууме к скорости света в испытуемом веществе (абсолютный показатель преломления). Показатель преломления зависит от температуры и длины волны света, при которой проводят определение. В растворах показатель преломления зависит также от концентрации вещества и природы растворителя. При этом на практике определяют так называемый относительный показатель преломления (n), который рассчитывается как отношение синуса угла падения луча (α) к синусу угла преломления (β) для двух соприкасающихся сред.
Показатель преломления также равен отношению скоростей распространения света в этих средах:
В лабораторных условиях обычно определяют так называемый относительный показатель преломления (ПП) вещества по отношению к воздуху. ПП измеряют на рефрактометрах различных систем. Раньше измерение ПП чаще всего производилось с использованием рефрактометров Аббе, работающего по принципу полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с различными показателями преломления. В настоящее время в лаборатории всё чаще можно встретить автоматические рефрактометры ATAGO серии RX.
Диапазон измеряемых ПП при измерении в проходящем свете с использованием рефрактометров Аббе, – 1.3000 – 1.7000. Если необходимо раздвинуть границы диапазонов, применяют специальные модели с низкики или высокими диапазонами, а также многоволновые рефрактометры Аббе.
Диапазон измеряемых ПП при измерении на автоматических рефрактометрах серии RX – 1.32500 – 1.70000. Точность измерения показателя преломления должна быть не ниже ±2·10-4. Величина показателя преломления зависит от природы вещества, длины волны света, температуры, при которой проводится измерение, и концентрации вещества в растворе. Обычно измерение показателя преломления проводится при длине волны света 589,3 нм (линия D спектра натрия). Но в некоторых случаях используются разные длины волн в диапазоне от 450нм до 1550нм. Очень важным условием определения ПП является соблюдение температурного режима. Как правило, определение выполняется при 20 градусах по шкале Цельсия. При температуре свыше 20 градусов — величина ПП уменьшается, при температуре ниже 20 градусов – величина ПП увеличивается.
Поправка на температуру рассчитывается по формуле: n1=n20+(20-T)*0,0002
Показатель преломления, измеренный при 20°С и длине волны света 589,3 нм, обозначается индексом n20. Показатель преломления может быть использован как константа для установления подлинности и чистоты тех лекарственных препаратов, которые по своей природе являются жидкостями. Рефрактометрический метод широко используется в фармацевтическом анализе для количественного определения концентрации веществ в растворе, которую находят по графику зависимости показателя преломления раствора от концентрации. На графике выбирают интервал концентраций, в котором наблюдается линейная зависимость между показателем преломления и концентрацией. Такой способ может использоваться в практике внутриаптечного контроля.
Зависимость показателя преломления от концентрации вещества в процентах выражается формулой:
где n и n0 — показатели преломления раствора и растворителя; С — концентрация вещества в растворе; F — фактор показателя преломления.
Показатель преломления раствора складывается из показателя преломления растворителя и показателей преломления растворенных веществ.
Значения показателей преломления и факторов для различных концентраций растворов лекарственных веществ приведены в рефрактометрических таблицах, которые имеются в руководстве по внутриаптечному контролю. Использование таблиц значительно упрощает расчёты.
Определение концентрации вещества в растворе.
В рефрактометрии используют два способа расчёта концентрации вещества в растворе по измеренному показателю преломления.
Расчет концентрации по формуле:
Значение фактора показателя преломления берется из рефрактометрических таблиц.
Расчет концентрации по рефрактометрическим таблицам.
Измерив показатель преломления, в таблице находят соответствующее ему значение концентрации. Если измеренный показатель преломления в таблице не приведен, проводится интерполирование. Рефрактометрический метод используется для количественного определения концентрированных растворов. Концентрированные растворы — это рабочие растворы лекарственных веществ (ЛВ) опредёленной, более высокой концентрации, чем эти растворы прописываются в аптеках.
При приготовлении концентрированных растворов следует избегать концентраций близких к насыщенным, т.к. при понижении температуры раствора возможна кристаллизация растворённого вещества.
Отклонения, допускаемые в концентратах:
- при содержании ЛВ до 20% — не более ± 2% от обозначенного процента;
- при содержании ЛВ свыше 20% — не более ± 1% от обозначенного процента (Пр. МЗ РФ от 16.10.97).
Формулы расчёта для исправления концентрации растворов, изготовленных массообъёмным способом.
1) Концентрация раствора оказалась выше требуемой.
Объем воды, необходимый для разбавления полученного раствора, вычисляют по формуле:
где Х — количество воды, необходимое для разбавления изготовленного раствора (мл.); А — объём изготовленного раствора (мл.); В — требуемая концентрация раствора (%); С — фактическая концентрация раствора (%).
2) Концентрация раствора оказалась ниже требуемой.
Массу ЛВ для укрепления полученного раствора вычисляют по формуле:
где Х — масса вещества, которую следует добавить к раствору (г); А — объем изготовленного раствора (мл.); В — требуемая концентрация раствора (%); С — фактическая концентрация раствора (%); ρ20 — плотность раствора при 20°С (г/мл, г/см3)
Рефрактометры, лучше всего подходящие для аптек: рефрактометры типа Аббе, серия NAR/DR-A1, ATAGO.
Рефрактометры серии NAR или DR-A1 предназначены для измерения показателя преломления и средней дисперсии неагрессивных жидкостей. Это очень качественный приборы. Простые в обслуживании. Минимальны в содержании. Фактически расходный материал для этих рефрактометров – лампочка (источник света). Рефрактометры ATAGO серии NAR или DR-A1 применяются:
- В медицинских учреждениях для определения белка в моче, сыворотке крови, плотности мочи, анализ мозговой и суставной жидкости, плотности субретинальной и других жидкостей глаза. Использование рефрактометра позволяет значительно сократить затраты времени при массовых обследованиях пациентов.
- В фармацевтической промышленности рефрактометры ATAGO могут применяться для исследования водных растворов различных лекарственных препаратов: кальция хлорида (0% и 20%); новокаина (0,5%, 1%, 2%, 10%, 20%, 40%); эфедрина (5%); глюкозы (5%, 25%, 40%); магния сульфата (25%); натрия хлорида (10%); кордиамина и т.д.
- В пищевой промышленности используют рефрактометры ATAGO на сахарных и хлебных заводах, кондитерских фабриках для анализа продуктов и сырья, полуфабрикатов, кулинарных и мучных изделий, для определения влажности меда (до 30 %). В производстве сахара широкое применение получили поляриметры АТАГО. Поляриметры на сахарном заводе измеряют концентрацию и чистоту сахара в сахарной свекле или сахарном тростнике на этапе приемки сырья.
Для определения доли сухих веществ в различных суслах (ГОСТ 5900-73), сахароагаровом сиропе, сиропе для мармелада, зефира, кремов и пряников.
Для определение массовой доли растворимых сухих веществ по сахарозе (% Brix) в продуктах переработки плодов и овощей, для определения процентного содержания жира в твёрдых продуктах питания (пряниках, вафлях или хлебобулочных изделиях) концентрации солей.
4.При обслуживании техники применяются рефрактометры ATAGO для определения с большей точностью объёмной концентрации противокристаллизационной жидкости «ИМ», которая добавляется в авиационное топливо в количестве от 0,1 до 0,3%. Дальнейшая обработка результатов ведется согласно «Методическим рекомендациям по анализу качества ГСМ в гражданской авиации» Ч. II стр.159. Опыт использования рефрактометров показал, что эти приборы значительно сокращают время и повышают достоверность получения анализов по процентному содержанию жидкости «ИМ» в авиационном топливе.
Автоматические рефрактометры серии RX, ATAGO.
Автоматический лабораторный рефрактометры серии RX с микропроцессорным управлением предназначены для исследования концентрации широкого диапазона жидких сред как низкой, так и высокой вязкости, независимо от прозрачности и цвета. Серия RX обеспечивают высокую точность измерения, точный контроль за температурой. Весь процесс измерения (нагрев/охлаждение) проходит в автоматическом режиме. Достаточно просто нажать клавишу Старт. Прибор автоматически измеряет коэффициент преломления образца раствора, вычисляет его концентрацию и представляет результат на цифровом ЖК-экране. Серия RX-I снабжен экраном, который выполнен по технологии «Тач скрин» — сенсорный экран, всё управление прибором осуществляется с экрана. Автоматические рефрактометры серии RX могут как нагревать/охлаждать образец за счет встроенных элементов Пельтье, так и использовать функцию автоматической температурной компенсации при проведении измерения. Идеальный прибор для фармацевтов из этой серии — автоматический рефрактометр RX-9000-i и RX-5000-i Plus.
Определение концентрации спирта в лекарственных формах рефрактометрическим методом.
Спирт этиловый (этанол, Spiritus aethylicus) — один из наиболее широко используемых органических растворителей в медицинской и фармацевтической практике. Этанол обладает бактериостатическими и бактерицидными свойствами. Широко используется для получения настоек, экстрактов, лекарственных форм для наружного применения. Качество спиртовых растворов зависит от концентрации спирта, в котором растворён препарат. В каждом случае необходима оптимальная концентрация, при которой лекарственное вещество не выделится в осадок. Поэтому готовятся водно-спиртовые растворы с различной концентрацией спирта. Количественное содержание этилового спирта легко определяется рефрактометрическим методом. Существует чёткая зависимость между концентрацией этилового спирта и коэффициентом преломления. Известно, что показатель преломления зависит от температуры, длины волны света, природы вещества и растворителя, концентрации вещества. Так вот показатель преломления водных растворов спирта от 1% до 70% имеет линейную характеристику, а значит можно легко измерить концентрацию рефрактометром. АТАГО производит специальные рефрактометры для измерения концентрации спирта. В общем, это обыкновенные рефрактометры, но в процессор «вшит» специальный поправочный коэффициент, позволяющий отображать на дисплее сразу же концентрацию водно-спиртового раствора, минуя показатель преломления. При концентрации от 70% до 96% — зависимость нелинейная. Таким образом, рефрактометрическим методом можно определить крепость спирта в пределах от 1% до 70%.
Практическая часть.
Рассмотрим применение рефрактометров при изготовлении и анализе раствора глицерина 10% для инъекций: Раствор глицерина 10% Глицерина (в пересчете на безводный) 100 г
1. Натрия хлорид 9,0 г. Воды до 1л.
Изготовление. От поставщиков покупается глицерин (высший сорт, динамитный) с количественным содержанием 86-90%, 94-98% и более. Поэтому, чтобы рассчитать количество исходного глицерина, необходимо точно знать, какова в нем массовая доля безводного вещества. Для точного измерения концентрации глицерина применяют рефрактометр. Показатель преломления исходного глицерина n=1,4569 соответствует массовой доле безводного вещества 89%. Исходное количество глицерина, которое требуется для изготовления раствора, по прописи 68:
2. Масса глицерина = 100 г./ 0,89 = 112,36 г.
Количественное определение глицерина в растворе. Вычисляем концентрацию глицерина: Сглиц = [n — (n0 + CNaCl* FNaCl)] / Fглиц
где n — показатель преломления раствора; n0 — показатель преломления воды очищенной, измеренный при той же температуре; СNaCl — концентрация натрия хлорида в растворе, определенная методом аргентометрии; FNaCl — фактор показателя преломления раствора натрия хлорида для найденной концентрации; Fглиц — фактор преломления 10% раствора глицерина (0, 001156).
В фармацевтической промышленности рефрактометры ATAGO могут применяться для исследования водных растворов различных лекарственных препаратов: кальция хлорида (0% и 20%); новокаина (0,5%, 1%, 2%, 10%, 20%, 40%); эфедрина (5%); глюкозы (5%, 25%, 40%); магния сульфата (25%); натрия хлорида (10%); кордиамина и т.д.
Примечание:
Если для одного из веществ, входящих в раствор, фактор показателя преломления неизвестен или незначительная его концентрация не позволяет получить точных данных, то готовят контрольный раствор, содержащий это вещество в той концентрации, которая была определена титрометрическим методом.
Рефрактометры и поляриметры японской фирмы ATAGO нашли применение во всех отраслях промышленности РФ. Рефрактометры и поляриметры АТАГО внесены в госреестр средств измерений РФ. Это позволяет применять приборы АТАГО в самых жёстко контроллируемых сферах производств — таких, как, например, фармацевтика.
Лабораторная работа № 62
Цель работы : Изучение рефрактометра и измерение с его помощью показателя преломления ряда жидкостей относительно воздуха; нахождение зависимости показателя преломления раствора сахара от его концентрации.
Приборы и принадлежности : рефрактометр, набор исследуемых жидкостей с различными показателями преломления и растворов сахара с разными концентрациями.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Еще до установления природы света были известны следующие основные законы оптических явлений:
1. Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно (по прямым линиям). Закон этот встречается в сочинении по оптике, приписываемом Евклиду (300 лет до нашей эры), но, вероятно, был известен и применялся гораздо раньше. Опытным доказательством этого закона служат наблюдения над резкими тенями, даваемыми точечными источниками света, или получение изображений при помощи малых отверстий. Отступления от закона прямолинейного распространения света рассматриваются в учении о дифракции.
2. Закон независимости световых пучков: распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть в ней другие пучки света или нет. Этот закон необходимо дополнить утверждением, определяющим совместное действие световых пучков при их наложении друг на друга. Оно состоит в том, что освещенность экрана, создаваемая несколькими световыми пучками, равна сумме освещенностей, создаваемых каждым пучком в отдельности. Нарушения справедливости этого утверждения имеют место в явлениях интерференции света.
3. Закон отражения света: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения, причем угол отражения равен углу падения (рис. 1). Этот закон был известен еще грекам.
4. Закон преломления, который мы рассмотрим более подробно. Этот закон был установлен экспериментально в 1621 году голландским ученым Снеллиусом (1580–1626) и опубликован после его смерти. Согласно закону преломления Снеллиуса, падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:
Рис. 1
где n 21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Индексы в обозначениях углов , , , указывают, в какой среде (первой или второй) идет луч.
Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:
Абсолютным показателем преломления среды называется величина n , равная отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости в среде:
Показатель преломления принадлежит к числу немногих констант, которые можно измерить с очень высокой точностью и малой затратой времени, располагая лишь небольшим количеством вещества. Для этого используются приборы – рефрактометры.
Один из первых рефрактометров был создан в середине
XVIII века. Ломоносов назвал его «квадрантом, придуманным
для определения преломлений в химических телах». Термин «рефракция» был введен в науку Ньютоном в его книге «Оптика» в начале XVIII века.
В наше время рефрактометр является обязательной принадлежностью многих исследовательских и производственных лабораторий. Рефрактометрические методы широко применяются в химической, нефтяной, фармацевтической, пищевой промышленности, в геологии, в сельском хозяйстве для контроля качества зрелости плодов, овощей, семян. В биологических, химических и физических лабораториях рефрактометры применяются для исследования эфирных масел, стекол, жиров, крови, жидкого топлива, смазочных масел, различных растворов и т.д. Простота и доступность измерений в сочетании с высокой точностью позволяет рефрактометрическим методам сохранить свое значение в будущем.
С помощью рефрактометрических измерений обычно определяют относительный показатель преломления вещества, т.е. этот показатель относительно воздуха лабораторного помещения. Если требуется знать абсолютный показатель преломления вещества, то его находят по формуле
где nвозд – абсолютный показатель преломления воздуха (nвозд = 1,00029 при Т = 273 К, Р = 1,01·10 5 Па для длины волны λ = 589,3 нм); n – показатель преломления вещества, полученный при рефрактометрическом измерении при таких же температуре Т, давлении Р и длине волны λ.
Для рефрактометрического анализа разбавленных растворов, концентрации которых лежат в пределах от 0 до 30 %, большое значение имеет уравнение
где n – показатель преломления раствора; n 0 – показатель преломления чистого растворителя; С – концентрация раствора; k – эмпирический коэффициент, называемый инкрементом показателя преломления.
Определив с помощью рефрактометра n , n 0 и зная С, можно найти аналитическую зависимость показателя преломления раствора от его концентрации.
В большинстве рефрактометров показатели преломления определяются методом предельного угла. В основе этого метода лежит явление полного внутреннего отражения.
Полное внутреннее отражение имеет место при переходе светового луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, например, из воды в воздух. Среда с показателем преломления n 2 называется оптически более плотной, чем с показателем преломления n 1 , если n 2 > n 1 .
Пусть луч света выходит из воды в воздух (рис. 2, а).
С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 2, б, в). Происходит это до тех пор, пока при некотором угле падения ( i 1 = i пр ) угол преломления не окажется равным π/2. Угол падения i пр называется предельным углом. При углах падения i 1 > i пр весь падающий свет полностью отражается (рис. 2, г).
По мере приближения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет
(рис. 2, а–в). Если i 1 = i пр , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 2, г), т.е. луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным отражением.
По закону преломления
где n 1 – показатель преломления воды; n 2 – показатель преломления воздуха.
Зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно с помощью формулы (6) определить показатель преломления второй среды.
Пусть теперь свет падает на границу раздела со стороны оптически менее плотной среды. В зависимости от угла падения луч во второй среде может составлять с нормалью углы, расположенные в интервале от нуля до i пр ; предельный угол преломления i пр соответствует углу падения, равному 90 ° (скользящий луч).
По закону преломления
Из формулы (7) следует, что
т.е. величина предельного угла и в этом случае определяется формулой (6).
При измерении показателя преломления с помощью рефрактометра УРЛ-1 можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча.
2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
В данной работе используется рефрактометр УРЛ-1, внешний вид которого представлен на рис. 3.
Основными частями рефрактометра являются: основание 1, корпус 2, измерительная головка с камерами 3 и 6, осветитель 4, термометр 5, лимб компенсации дисперсии 7, пробка 8, шкала 9, рукоятка 11, механизм настроечный 12, зрительная труба 10 с отсчетным устройством (см. рис. 3). В нижней камере 3 измерительной головки расположена измерительная призма, а в верхней камере 6 – осветительная (рис. 4).
Призмы изготовлены из тяжелого стекла (флинта), показатель преломления которого больше 1,7. Исследуемый раствор помещают между плоскостями АВ и А ′ В ′ этих призм.
Пучок света от осветителя, пройдя через грань А ′ С ′ осветительной призмы А ′В′С ′, падает на ее грань А′В′. Так как эта грань (А′В′) матовая, то она рассеивает свет в жидкости по всем направлениям, и часть лучей падает на грань АВ измерительной призмы АВС под различными углами. Наибольший возможный угол падения лучей 1, 2, 3 на грань АВ равен 90 ° , следовательно, луча с еще большим углом падения быть не может. Этот скользящий по границе АВ луч 3 (см. рис. 4), идущий из исследуемой жидкости с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления – в призму АВС, преломляется в ней (как это следует из принципа обратимости светового луча) под предельным углом i полного внутреннего отражения. Все остальные лучи, например, второй и первый, падающие на грань АВ под углом, меньше 90 ° , преломляются в призме под углом, меньше предельного i .
 |
В поле зрения трубы Т, поставленной на пути лучей, прошедших систему двух призм, наблюдаются две области: одна светлая (нижняя по
Рис. 4
ловина), другая темная (см. рис. 4). Положение границы светотени определяется величиной предельного угла i , т.е. зависит от величины показателя преломления жидкости n .
Для разных длин волн показатели преломления различные, поэтому вследствие дисперсии вместо резкой границы светотени мы видим в окуляре размытую радужную полоску. Ее можно устранить с помощью компенсатора дисперсии 7, устанавливаемого перед объективом зрительной трубы. Оптическая схема рефрактометра УРЛ-1 изображена на рис. 5. Свет от источника 1 конденсорами 2, 3 направляется в осветительную призму 4, проходит тонкий слой исследуемой жидкости и измерительную призму 5, затем компенсатор 6 и отражательную призму 7, попадает в объектив 8 зрительной трубы, проходит через пластину с крестом 9, шкалу 10 и через окуляр 11 зрительной трубы попадает в глаз наблюдателя. В поле зрения одновременно находятся граница светотени, перекрестье в окуляре и шкалы показателей преломления и процента сухих веществ по сахарозе. По шкале показателей преломления отсчитывается непосредственно значение показателя преломления в пределах от 1,2 до 1,7 n д с точностью до ± 1 × 10 –4 n д , по шкале сухих веществ – процентное содержание по сахарозе в пределах от 0 до 95 % с точностью до ± 0,1 %.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Включают рефрактометр в сеть.
3.2. Открывают верхнюю камеру, промывают дистиллированной водой или спиртом поверхности измерительной и осветительной призм и насухо вытирают их чистой льняной салфеткой.
3.3. Оплавленным концом палочки или пипеткой наносят на плоскость измерительной призмы одну-две капли дистиллированной воды и закрывают верхнюю камеру.
3.4. Смещая осветитель, направляют луч света в окно верхней камеры.
3.5. Перемещением рукоятки 11 с окуляром 10 вдоль шкалы 9 вверх и вниз вводят в поле зрения границу светотени.
3.6. Окуляром 10 устанавливают резкость границы светотени, штрихов шкалы и перекрестия сетки.
3.7. Вращением рукоятки дисперсионного компенсатора 7 устраняют окрашенность границы светотени.
3.8. Перемещая рукоятку 11, подводят границу светотени к центру перекрестия сетки и снимают отсчет по шкале показателей преломления с точностью до пятого знака, определяемого на глаз.
3.9. Повторяют наводку 3–4 раза. Если рефрактометр исправен и установлен правильно, то для дистиллированной воды значение показателя преломления должно быть n д = 1,33299.
3.10. Измеряют показатели преломления ряда жидкостей и растворов сахара в воде. Каждое измерение повторяют три раза.
3.11. Полученные данные заносят в таблицы (формы табл. 1 и 2).
Форма таблицы1