ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ РЕФРАКТОМЕТРА

Кафедра радиохимии

 

Методические указания

к лабораторной работе по курсу физической химии

 

 

Составитель: доц., к.т.н. Цимбалюк Е.П.

 

 

Димитровград 2012

 

 

Цели работы:

1) ознакомление с принципом действия рефрактометра;

2) освоение методики измерений показателя преломления на рефрактометре Аббе;

3) измерение показателей преломления некоторых жидкостей, имеющихся в лаборатории;

4) построение калибровочного графика определения концентрации сахарозы.

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Рефрактометрия - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрический метод применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.
Свет, падающий на границу раздела двух прозрачных сред, частично отражается от поверхности раздела, а частично проходит внутрь второй среды, изменяя при этом свое направление. Направление распространения светового луча в средах I и II (рис.1) определяется законом преломления Снеллиуса: преломленный луч лежит в той же плоскости, в которой находится падающий луч и нормаль к поверхности раздела, а отношение синусов угла падения и угла преломления есть величина постоянная для данной пары сред: (1)

Константа называется относительным показателем (коэффициентом) преломления второго вещества по отношению к первому.

Согласно электромагнитной теории Максвелла физический смысл показателя преломления связан со скоростью распространения света в веществе: (2)

Показатель преломления вещества по отношению к вакууму называется абсолютным показателем преломления или просто показателем преломления. Из формулы (2) следует, что абсолютный показатель преломления вещества равен отношению скорости света в вакууме () к скорости света в веществе , т.е. показывает, во сколько раз скорость света в вакууме превосходит скорость распространения света в веществе.

Относительный показатель преломления двух сред показывает, во сколько раз изменяется скорость света при переходе из первой среды во вторую. Относительный показатель преломления пары сред есть отношение их абсолютных показателей: , при этом абсолютный показатель преломления вакуума принимается равным 1.

Рис.1. Отражение и преломление луча света на границе раздела двух сред

 

Для веществ в различных агрегатных состояниях показатели преломления имеют различные значения. Для газообразных веществ значения показателей преломления близки к 1. Например, показатель преломления воздуха при расчетах принимают равным единице, хотя его точное значение =1,000274 (при нормальном давлении и температуре). Величины показателей преломления для жидкостей изменяются в интервале от 1,2 до 1,9. Твердые тела имеют наибольшие значения показателей преломления (от 1,3 до 4,0).

Использую абсолютные показатели преломления, закон преломления (1) записать в виде: (3)

Из соотношения (3) видно, что если луч идет из среды оптически менее плотной в среду более плотную (т.е. ), то угол преломления будет меньше угла падения и наоборот.

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.

Пусть луч света выходит из воды в воздух (рис. 2, а).

Рис.2. Схема образования полного внутреннего отражения

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 90⁰. 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. Предельный угол можно наблюдать двумя способами: в отраженном и проходящем свете.

Рис.3. Наблюдение резкой границы освещенности поля зрения в отраженном (a) и проходящим (б) пучках лучей света

Для первого случая поле зрения будет разделено на две части различной освещенности. Та часть поля зрения, которая освещается лучами, испытавшими частичное отражение от границы раздела и частичное преломление (лучи 1 и 2 на рис. 3, а), будет менее освещена, чем вторая половина, которая освещается только лучами, испытавшими полное внутреннее отражение (лучи 3 и 4 на рис. 3, а).

При наблюдении картины в проходящем свете граница раздела сред освещается пучком лучей, идущих из среды с меньшим показателем преломления (лучи 1, 2, 3, 4 на рис.3, б). Очевидно, что в пучке преломленных лучей луч будет крайним. Поле зрения будет разделено на полностью затененную и освещенную части. Этот способ дает очень отчетливую границу, но пригоден только для прозрачных сред. Первый же способ применяется только в том случае, когда среда с меньшим показателем преломления мало прозрачна.

Все изложенное выше справедливо только в том случае, если для освещения используется монохроматический свет. Если пучок света имеет сложный спектральный состав, то в описанных выше явлениях наблюдается дисперсия света. Дисперсией света называется разложение света в спектр, происходящее при преломлении, дифракции или интерференции.

Из явления дисперсии следует, что скорость распространения света в веществе зависит от цвета излучения. В вакууме скорость света для любой длины волны одна и та же, но в веществе синий свет, например, распространяется медленнее, чем красный. Из наличия дисперсии рассмотренная выше картина наблюдения предельного угла полного внутреннего отражения усложнится, так как граница раздела будет различно окрашена. Мерой дисперсии света служит разность между значениями показателя преломления, измеренным при различных длинах волн (например ).

Если падающий свет является белым, то происходит наложение для различных длин волн. В результате вблизи нормали (при малых углах преломления) преломленный свет остается белым. По мере удаления от нормали (увеличения угла преломления) преломленный пучок будет обедняться фиолетовыми лучами (прежде всего, достигается значение предельного угла для фиолетовых лучей), затем последовательно – синими, голубыми, зелеными, желтыми, оранжевыми и, наконец, красными. Таким образом, граница раздела будет окрашена. Кроме того, появляется неопределенность при измерении предельного угла, так как для различных длин волн он имеет различные значения. Особенностью рефрактометра Аббе является использование для измерений белого света. Это возможно благодаря компенсатору дисперсии, вмонтированному в зрительную трубу. Основной деталью компенсатора является призма прямого видения (призма Амичи). Призма Амичи является сложной призмой состоящей из трех простых призм, изготовленных из разного стекла. Подбором материала и преломляющих углов призм можно варьировать угол преломления того или иного цвета, а также величину суммарной угловой дисперсии. В частности, можно добиться отсутствия отклонения для какого-либо среднего в спектре луча, не уничтожая при этом суммарной дисперсии. Такая комбинация призм будет давать спектр, в котором средние лучи будут выходить по направлению падающего белого луча.

Рис.4. Ход лучей в призме Амичи

 

Лучи света других длин волн будут отклоняться, и образовывать спектральную окраску по обе стороны от центрального луча. В призме Амичи, составляющие ее призмы подобраны с таким расчетом, чтобы лучи, соответствующие D-линии натрия, проходили всю систему без отклонения.

В силу обратимости световых лучей с помощью призмы Амичи можно пучок цветовых лучей собрать в белый луч.

Линия полного внутреннего отражения (в поле зрения окуляра зрительной трубы) представится в виде резкой неокрашенной границы между светлой и темной частями поля зрения, причем положение границы будет соответствовать предельному лучу D, хотя для освещения применялся белый свет.

Из сказанного следует, что показатель преломления является константой для данной среды только при определенной длины волны света. И, следовательно, предельный угол должен измеряться при использовании монохроматического излучения.

В рефрактометре ИРФ-454Б используются призмы Амичи и значение показателя преломления, измеренного для белого света, определяется для желтой – D линии Na (). В обозначении показателя преломления , индекс D относится к спектральной линии, а 20 обозначает температуру, которой соответствует данное значение показателя.