435 / 6_Аббе

Лабораторная работа № 5.

Определение показателя преломления и концентраций растворов с помощью рефрактометра Аббе.

Цель работы: определение показателя преломления и концентрации исследуемых растворов с помощью рефрактометра Аббе.

Оборудование: Рефрактометр Аббе; вода дистиллированная, два прозрачных раствора с неизвестными показателями преломления и концентрациями.

Теория.

Оптические приборы, предназначенные для измерения показателя преломления, называются рефрактометрами.

Определения показателя преломления можно проводить различными способами. В данной работе используется рефрактометр Аббе.

Если свет падает на границу раздела двух сред (двух прозрачных веществ), то падающий луч 1 (рис.1.) разделяется на два – отраженный 2 и преломленный 3, направления которых задаются законами отражения и преломления.

Закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:

, (1)

где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления.

Абсолютным показателем преломления среды называется величина , равная отношению скорости электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости в среде:

. (2)

Закон преломления (1) можно записать в виде:

. (3)

Из симметрии выражения (3) вытекает обратимость световых лучей. Если обратить луч 3 (рис.1.), заставив его падать на границу раздела под углом , то преломленный луч в первой среде будет распространятся под углом , т.е. пойдет в обратном направлении вдоль луча 1.

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотную) (>), например из стекла в воду, то согласно (3) получаем, что

Отсюда следует, что преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления больше, чем угол падения (рис.2.)

Явление полного отражения наблюдается только при переходе света из среды более плотной в среду менее плотную (n₂>n₁) (рис.3.)

При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления. Для каждых двух сред существует такой угол падения, при котором угол преломленния будет равен 90⁰, а соответствующий ему угол падения называется предельным: =_пред, (луч 2.)

Закон преломления для луча 2 в данном случае будет иметь вид:

(4)

откуда

(5)

где n₁ и n₂ – абсолютные показатели преломления данных сред.

Если угол падения больше _пред, то существует только отраженный луч. (луч 3, рис.3.)

Метод полного отражения, используемый в рефрактометре Аббе дает возможность быстро и с большой точностью определить показатель преломления вещества и концентрацию растворов.

Устройство и принцип работы рефрактометра Аббе.

Схематический ход лучей в рефрактометре Аббе представлен на рис.4, где: П1-откидная призма (осветительная), П2-основная призма (измерительная), К-призма - компенсатор (призмы Амичи), ОБ-объектив трубы, П3-оборотная призма, ОК-окуляр с отсчетной шкалой Ш2, расположенной фокальной плоскости окуляра. Общий вид рефрактометра типа РЛ показана на рис.5. Обозначения те же самые, что и на рис.4. Для удобства измерений имеются 2 шкалы одна – отградуирована непосредственно в значениях показателя преломления, другая – в % определяет концентрацию.

рис.4.

В указанной конструкции рефрактометра имеются два окна, что позволяет вести измерения двумя способами: методом скользящего луча и методом полного отражения. Одно из окон при измерениях закрывается шторкой. Для установки компенсатора, убирающего спектр на границе свет-тень служит головка Г (рис.5.).

П ри измерении показателя преломления твердых тел используемый образец должен иметь полированную плоскость. Этой плоскостью он прижимается к призме П2 (откидная призма отводиться при этом в сторону). Для обеспечения оптического контакта между соприкасающимися поверхностями вводится тонкий слой жидкости с известным показателем преломления, причем показатель преломления (жидкости) n_ж n_тв (n_тв – показатель преломления призмы).

рис.5.

Главной частью рефрактометра являются две призмы АВС и DEF, изготовленные из стекла с большим показателем преломления. Между этими призмами вводится капля исследуемой жидкости, растекающейся в тонкий слой при опускании верхней призмы.

рис. 6.а. рис.6.б.

Грань FD осветительной призмы DEF – матовая (рис. 6.а.)

Грань СВ измерительной призмы АВС – матовая (рис. 6 б.)

Метод скользящего луча.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис.6.а. Cвет проникает в призму П₁ через грань FE и попадает в жидкость через матовую грань FD.

Свет рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами β (от 0⁰ ≤ β ≤ 90⁰) падает на сторону АС призмы П₂.

Скользящему лучу в жидкости (β = 90⁰) соответствует предельный угол преломления α_пр. Преломленные лучи с углами больше α_пр не возникают.

Если свет, выходящий из грани АВ, рассматривать через окуляр (рис.4), то видна граница света и темноты.

Положение этой границы определяется величиной предельного угла:

(6)

Следовательно, на грани ВА будет наблюдаться на участке ВМ - свет, а на участке МА - темнота. Положение точки М (граница света и тени) определяется величиной предельного угла.

Методика измерений.

Приступая к измерениям, необходимо, прежде всего, убедиться в правильности работы прибора. Такую проверку проще всего выполнить, измерив показатель преломления вещества с известным показателем преломления, например, измерить показатель преломления дистиллированной воды.

Для этого:

1. Направить солнечный свет или свет от электрической лампочки с помощью зеркала на осветительную призму.

2. Открыть камеру измерительной призмы и с помощью трубочки нанести каплю дистиллированной воды на измерительную призму, затем закрыть камеру.

3. Поворотом зеркала добиться наилучшей освещенности поля зрения и установить окуляр на отчетливую видимость.

4. Вращая маховичок компенсатора Г, добиться уничтожения окраски на границе свет-тень.

5. Точно установить визирные линии (- - -) на границу светлого и темного полей и произвести отсчет по шкале. Если рефрактометр исправен и установлен правильно, то для воды должно получиться значение n = 1,333 при температуре 20 ^о С.

Если измерение дает другой результат, то следует определить поправку к шкале.

6. Определить показатели преломления жидкости различной концентрации, используя при измерениях метод скользящего луча.

7. Полученные результаты внести в таблицу.

Примечание: за абсолютную ошибку измеряемых величин принять цену деления шкалы.

Исслед. вещество	№ изм.	Метод скользящего луча.
		показатель преломления			концентрация
		n	n		C	C
Дистил. вода	1
Раствор № 1	1
Раствор № 2	1

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. На каком физическом явлении основано устройство рефрактометра?

2. Объяснить ход лучей в измерительных призмах рефрактометра Аббе (метод скользящего луча, метод полного отражения).

3. Как измеряется показатель преломления жидкости рефрактометром?

4. Что называется абсолютным и относительным показателем преломления?

5. В чем заключается явление полного отражения?

6. Куда смещается граница светотени в методе скользящего луча c увеличением показателя преломления исследуемого вещества? Ответ поясните чертежом и формулами.

Литература:

1. Ландсберг Г.С. Оптика. М., Наука, 1976.

2. Гершензон. Е.М. и др. Курс общей физики. Оптика и атомная физика. М., Просвещение, 1981.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. 3т. М., Высшая школа, 1979.

4. Трофимова Т.Н. Курс физики. Учебное пособие, М., Высшая школа, 1998.

5. Инструкция к прибору «Рефрактометр Аббе».