Коротка теорія і метод вимірювань

 

При переході променя світла із одного середовища в інше справедливий закон заломлення світла: відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина стала для двох даних середовищ і називається показником заломлення другого середовища відносно першого:

 

n₂₁ = sinа / sinβ (1)

 

Відносний показник заломлення n₂₁ може бути виражений через абсолютні показники заломлення п₂ та п₁, які визначають заломлення світла в даному середовищі відносно вакууму:

 

n₂₁ = п₂ / п₁ (2)

 

Показники заломлення n₂₁, п₂, п₁ зв’язанізшвидкостями світла у вакуумі (с) та в даних середовищах (v₂ та v₁):

 

n₂₁ = v₂ / v₁; п₂= с / v₂; п₁ = с / v₁ (3)

 

Показник заломлення п є важливою характеристикою рідини, пов'язаною з хімічною структурою її молекул і концентрацією досліджуваного розчину.

Для швидкого і зручного визначення показника заломлення рідин і для визначення концентрації розчинів за їх показником заломлення використовуються спеціальні прилади - рефрактометри. Принцип дії одногоіз типів рефрактометрів базується на явищі повного внутрішнього відбивання, яке має місце при переході світла із середовища оптично більш густого (з більшим абсолютним показником заломлення) в середовище оптично менш густе (з меншим абсолютним показником заломлення) – п₁ > п₂.

При використанні формули (1) і співвідношень (2) та (3) для цього випадку n₂₁ < 1, а тому кут заломлення β більший за кут падіння α. При малих кутах падіння (промінь 1 на рис.1.) на межі двох середовищ формуються два промені - заломлений 1^’ і відбитий І”. При збільшенні кута падіння завжди знайдеться такий кут падіння (промінь 2), при якому заломлений промінь 2' ковзає по межі розділу середовищ. При збільшенні кута падіння (промінь 3) заломленого променя 3' взагалі немає, а інтенсивність відбитого променя (промінь З") дорівнює інтенсивності падаючого променя - виникає повне внутрішнє відбиття. Промінь 2 і відповідний йому кут падіння α_гр визначають межу між звичайним ходом променя (із виникненням заломленого і відбитого променів) і повним внутрішнім відбиванням – вони так і називаються граничним променем і граничним кутом повного внутрішнього відбивання. При відомому показнику заломлення n₂₁ з формули (1) можна обчислити α_гр, якщо в (1) підставити β =90°. Тоді:

 

sin α_гр = n₂₁ (4)

 

При пропусканні променя із другого середовища в перше можна застосувати принцип зворотності променів: променю з кутом падіння 90° відповідає в більш густому середовищі заломлений промінь з кутом заломлення, що дорівнює α_гр.

Основними частинами рефрактометра є дві призми (рис. 2), виготовлені з скла флінтглас з великим показником заломлення п = 1,72. Між призмами вводять 2-3 краплі досліджуваної рідини, яка розпливається в тонкий шар при з'єднанні призм. Пучок світлових променів від дзеркальця, пройшовши через грань В'С' освітлювальної призми, падає на грань А'В', що торкається рідини. Грань А'В' - матова, тому вона розсіює світло в рідині за всіма напрямками, і промені падають на грань АВ вимірювальної призми АВС під різними кутами. Найбільший можливий кут падіння цих променів не перевершує 90°, а тому всередині призми АВС не може бути променів з кутами заломлення більше, ніж граничний кут α´, а на виході із призми немає променів з кутами заломлення більше, ніж а". При розгляданні грані під кутом а > а" вона темна, а при а < а" світла. Підбираючи положення окуляра, при якому частину грані АС видно під кутом а > а", а другу - під кутом а < а", одержуємо границю світла і тіні в центрі поля зору. Для цього треба повертати трубу на певний кут по секторній шкалі, на якій нанесені значення показника заломлення. Для зручності відліку за цією шкалою над нею розміщений окуляр-лупа.

Промені, що пройшли в трубу через об'єктив за допомогою дзеркальця, спрямовуються вздовж осі зорової труби в око спостерігача. Для променів із різною довжиною хвилі показники заломлення різні, тому границя світла і тіні різнокольорові Для одержання різкої границі світла і тіні в нижній частині зорової труби встановлена призма прямого зору /компенсатор/, з'єднана з накотним кільцем і гвинтом.

Рефрактометри цього типу можуть мати різні конструктивні виконання, але принцип їх дії має одну і ту ж основу.

 

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Ознайомтесь з будовою приладу.

2. Звільніть затискач, що кріпить призми, опустіть нижню призму, протріть їх поверхню фільтрувальним папером, змоченим дистильованою водою. Підійміть нижню частину камери з призмою, закріпіть затискач і, користуючись дзеркалом, спрямуйте пучок світла через віконце на грань нижньої призми.

3. Спостерігаючи за полем зору в трубу, переміщенням дзеркальця добийтесь різкого зображення перетину ниток. Усуньте різнокольоровість світла і тіні, повертаючи гвинт компенсатора (праворуч від об'єктиву)..

4. Опустіть нижню призму, нанесіть на неї піпеткою 2-3 краплі дистильованої води і підійміть призму. Зніміть контрольний відлік показника заломлення води (п = 1.33299).

5. Опустіть нижню призму, протерши її досуха, нанесіть піпеткою кілька крапель одного з досліджуваних розчинів цукру на грань призми, щільно зачиніть камеру і, повертаючи лівою рукою гвинт на секторній шкалі, змінюйте кут повороту доти, доки границя світла і тіні не стане на перетині ниток у полі зору. Після цього зніміть відлік показань приладу, користуючись окуляром на секторній шкалі.

6. Знайдіть показники заломлення для інших розчинів. Для цього виконайте три вимірювання, кожний раз промиваючи призми дистильованою водою і витираючи їх досуха.

7. Результати вимірювань запишіть у табл.1, визначте середнє значення показника заломлення і за ним знайдіть в табл.2 відповідну концентрацію розчину с.

Таблиця 1.

Розчин	n1	n2	n3	ncp	c

 

Таблиця 2.

Переведення показників заломлення п в концентрацію цукру с.

 

п	с,%	п	с,%	п	с,%
1,33299	0,00	1,33599	2,07	1,33894	4,10
1,33349	0,34	1,33649	2,42	1,33944	4,42
1,33399	0,90	1,33698	2,76	1,33993	4,76
1,33449	1,04	1,33747	3,09	1,34042	5,10
1,33499	1,39	1,33796	3,42	1,34091	5,43
1,33549	1,73	1,33845	3,76	1,34140	5,76
1,34190	6,09	1,34726	9,63	1,35254	13,03
1,34239	6,42	1,34774	9,94	1,35302	13,33
1,34288	6,75	1,34822	10,25	1,35350	13,65
1,34337	7,07	1,34870	10,57	1,35398	13,94
1,34385	7,39	1,34918	10,88	1,35446	14,24
1,34434	7,71	1,34966	11,19	1,35494	14,55
1,34483	8,04	1,35014	11,50	1,35541	14,84
1,34532	8,36	1,35062	11,80	1,35589	15,14
1,34581	8,68	1,35111	12,11	1,35636	15,43
1,34630	9,01	1,35158	12,41	,35683	15,72
1,34678	9,32	1,35206	12,72 ]	1,35730	16,01

 

Дайте відповіді на запитання:

 

1. Що таке показник заломлення речовини?

2. Для яких розчинів можна застосувати метод, що вивчається?

3. Що може внести значні похибки при застосуванні даного методу?

 

 

Лабораторна робота № 15