Лабораторная работа. Задание 1. Проверка рефрактометра.

Лабораторная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ

 

 

Приборы и принадлежности: рефрактометр РПЛ-3, пипетка, растворы соли или сахара различной концентрации.

 

Цель работы: изучение принципа работы рефрактометра и исследование зависимости показателя преломления раствора от концентрации.

 

Теория

 

При переходе света через границу раздела двух сред, скорость распространения света в которых различна, происходит изменение его направления. Это явление называется преломлением или рефракцией света. Абсолютным показателем преломления среды называют отношение скорости распространения света в вакууме с к скорости его распространения в данной среде v n = c/v.

При переходе света из среды с меньшим показателем преломления (оптически менее плотная среда) в среду с большим показателем преломления (оптически более плотная среда) угол падения луча больше угла преломления. Если луч падает на границу раздела сред под наибольшим возможным углом i=p/2 (луч скользит вдоль границы раздела сред), то он будет преломляться под углом rпр < p/2. Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Из закона преломления света следует

n₁₂ = sin(p/2)/sin(r_пр) = 1/sin(r_пр) = n₂/n₁, (1)

где n1 и n2 - абсолютные показатели преломления сред, откуда sin(rпр) = n₁/n₂.

Рис.1.

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. При некотором угле падения i луча угол преломления равен p/2, т. е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред (рис. 1).

При дальнейшем увеличении угла падения преломление не происходит, весь падающий свет отражается от границы раздела сред. Угол i называется предельным углом полного внутреннего отражения и обозначается i_пр.. Так как

n₁₂ = sin(i_пр)/sin(p/2) = n₂/n₁,

то sin(i_пр) = n₂/n₁. (2)

Рис.2.

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного внутреннего отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ — рефрактометрах (рис. 2, а-в), используемых при определении чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ и т. д.

Описание установки. Определение показателя преломления можно проводить раз­личными способами: по измерению углов падения и преломле­ния, по измерению наименьшего угла отклонения призмы и ее преломляющего угла, интерференционными методами (по

 

смещению интерференционных полос), по смещению изображения предмета, рассматриваемого через плоскопараллельную пластинку с помощью микроскопа, иммерсионными методами и методами, основанными на полном отражении.

В работе применяется рефрактометр, в котором используется полное внутреннее отражение (рефрактометр Аббе). В рефрактометрах этого типа исследуемая среда (обычно жидкость) помещается в зазоре (около 0,1 мм) между гранями двух стеклянных прямоугольных призм (рис. 3). При измерениях используются два метода: метод скользящего луча и метод полного внутреннего отражения. При методе скользящего луча свет направляется через грань АВ призмы P₁, проходит через матовую поверхность АС и далее через слой жидкости проникает в призму P₂. Для лучей, которые скользят вдоль грани DE, можно записать закон преломления в виде:

n=n₁ sin (r) (3)

Угол r равен предельному углу преломления для границы стекло - исследуемое вещество; n- показатель преломления исследуемой среды в зазоре; n1 - показатель преломления стекла призмы, n₁ > n. Для грани EF закон преломления записывается в виде

n₁sin (r₁)= sin(i_м) (4)

Преломляющий угол призмы DEF:

Р= г + г1 (5)

Тогда, учитывая (3),(4),(5), найдем:

(6)

Угол выхода лучей iм будет иметь наименьшее значение для скользящих лучей. Лучи, проходящие через грань EF, будут выходить под углами от 90° до iм, определяемого соотношением (6). Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу O₁, то в ее фокальной плоскости получается изображение, на котором будет видна резкая граница между светом и тенью. Граница раздела соответствует направлению выхода лучей под наименьшим углом (т. е. под углом iм). Положение ее будет зависеть от величины показателя преломления среды (при данных призмах). Граница рассматривается через вторую линзу, которая совместно с O₁ образует зрительную трубу, установленную на бесконечность. С помощью такой трубы определяется угол i_м и по известным значениям Р и n₁ рассчитывается показатель преломления.

При методе полного внутреннего отражения свет вводится в рефрактометр через матовую грань DF призмы P₂. Свет падает на грань DE под всевозможными углами. При углах падениях r₂ > r будет полное внутреннее отражение. Лучи, проходящие через грань EF и имеющие углы выхода больше i_м, будут в фокальной плоскости давать изображение с меньшей освещенностью; лучи с углами выхода меньше i_м (что соответствует условию г₂ > r) будут давать большую освещенность. В поле зрения трубы в этом случае будет наблюдаться резкая граница раздела между полутенью и светом. Если при использовании первого способа верхняя часть поля зрения будет темной, то во втором способе эта часть поля будет иметь большую освещенность. Положение границы раздела в обоих случаях определяется условием (6). Вторым способом можно измерять показатель преломления и непрозрачных тел.

При освещении призм белым светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета. Чтобы получить резкое изображение, перед объективом зрительной трубы помещаются две призмы прямого зрения (призмы Амичи); каждая призма состоит из трех склеенных призм с различными показателями преломления и различной дисперсией (например, крайние призмы изготовлены из кронгласа, средняя - из флинтгласа). Призмы рассчитаны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны 589,3 нм не испытывал отклонения. Такое устройство называется компенсатором.

При положении призм компенсатора, указанном на рисунке 4., их дисперсия равна нулю; при повороте одной из призм на 180° дисперсия будет равна удвоенному значению дисперсии одной призмы (при равных дисперсиях призм). В зависимости от взаимной ориентации призм дисперсию можно изменять от нуля до максимального значения. Поворотом призм компенсатора с помощью специального устройства добиваются резкого изображения границы, положение которой соответствует значению показателя преломления для желтой линии натрия (589,3 нм). В простых конструкциях рефрактометров в качестве компенсатора используется одна призма прямого зрения.

Схематически ход лучей в рефрактометре Аббе представлен на рисунке 4., где указано: 1- осветительное зеркало; 2 - откидная призма; 3 - основная призма; 4 - матовая грань; 5- исследуемое вещество; 6 - призма компенсатора; 7 - объектив тру­бы; 8 - оборотная призма; 9 - окуляр с отсчетной шкалой, расположенной в фокальной плоскости окуляра. Общий вид рефрактометра типа РПЛ-3 показан на рисунке 5. Обозначения те же самые, что на рисунке 4.

 

Рис.4.

Рис.5.

Для удобства измерений шкала отградуирована непосредственно в значениях показателя прелом­ления. В указанной конструкции рефрактометра имеется два окна, что позволяет вести измерения обоими способами. Одно из окон при измерениях закрывается шторкой 11; для установки компенсатора служит барабан 12. В оправе призм сделана камера, через которую может прокачиваться жидкость для поддержания постоянной температуры. Подача охлаждающей жидкости осуществляется через штуцеры 13. Перед началом работы необходимо проверить установку прибора. Для этой цели между призмами 2 и 3 помещается капля дистиллированной воды. Смещая окуляр в тубусе трубы, добиваются четкого изображения шкалы и визирной линии. Поворотом компенсатора добиваются четкого изображения границы. Далее, зрительную трубу перемещают до совпадения визирной линии с границей раздела. При правильной установке показание прибора должно быть равно 1,333 (при 20° С).

При измерении показателя преломления твердых тел исследуемый образец должен иметь полированную плоскость. Этой плоскостью он прижимается к призме P2 (откидная призма отводится при этом в сторону). Для обеспечения оптического контакта между соприкасающимися поверхностями вводится тонкий слой жидкости, показатель преломления которой nж < nтт (nтт — показатель преломления твердого тела).

Порядок выполнения работы

 

1. Подготовка прибора к работе:

a) откиньте верхнюю призму рефрактометра и пипеткой нанесите на нижнюю призму 2 - 3 капли дистиллированной воды. Опустите верхнюю призму;

б) фокусируя окуляр, получите резкие изображения поля зрения, визира и шкалы;

в) перемещая зрительную трубу, получите в поле зрения границу свет-тень. Линия раздела должна быть резкой и без цветной окраски. Последнее достигается поворотом рукоятки компенсатора;

г) совместите визир с границей раздела свет-тень. При правильной настройке рефрактометра показание шкалы при этом должно соответствовать показателю преломления воды n = 1,333 (при 20°С).

2. Исследование зависимости показателя преломления раствора NaCI или глюкозы от концентрации:

а) расположите источник света так, чтобы наблюдения проводились в проходящем свете;

б) измерьте показатели преломления раствора NaCI различной концентрации С. Для этого на нижнюю призму нанеся поочередно растворы различной концентрации и, совмещая визир с границей раздела свет-тень, определите по шкале показатели преломления растворов. Для каждого раствора измерение показателя преломления произведите несколько раз и найдите среднее значение <n>.

в) результаты измерений занесите в табл. 1;

г) постройте график зависимости показателя преломления от концентрации n = f(C);

д) используя метод наименьших квадратов постройте график линейной зависимости n = aCi + b;

е) измерьте показатель преломления раствора неизвестной концентрации. Определите по графику концентрацию Сx этого раствора;

ж) найдите по графику погрешность DСx измерения концентрации раствора.

Таблица 1.

Концентрация раствора
Показатель преломления
<n>

 

3. Измерение зависимости показателя преломления раствора NaCI или глюкозы от концентрации в отраженном свете:

а) расположите источник света так, чтобы наблюдения проводились в отраженном свете;

б) измерьте показатели преломления раствора NaCI различной концентрации С. Для каждого раствора измерение показателя преломления произведите несколько раз и найдите среднее значение <n>.

Таблица 2.

Концентрация раствора
Показатель преломления
<n>

в) результаты измерений занесите в табл. 2;

г) нанесите результаты на график зависимости показателя преломления от концентрации n = f(C), полученный ранее. Сравните результаты измерений обоими методами.

 

Таблица 3.

Жидкость	Вода	Спирт	Глицерин	Вазелин
Показатель преломления
<n>