5. Лабораторная работа «Определение показателя преломления жидкости с помощью рефрактометра»

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

Приборы и принадлежности: рефрактометр, растворы NaCl различной концентрации, дистиллированная вода, пипетки, марлевая салфетка.

На границе раздела двух сред свет частично отражается от границы раздела и распространяется в первой среде, а частично проходит через границу раздела и распространяется во второй среде.

При отражении света выполняется закон отражения: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол отражения  равен углу падения  (рис.1, а).

При переходе света из одной среды в другую происходит изменение направления распространения света – преломление или рефракция.

При преломлении света выполняется закон преломления света: падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления  есть величина постоянная для данных двух сред, и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой n₂₁ (рис. 1, б):

. (1)

Физический смысл относительного показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде ₁ к скорости их распространения во второй среде ₂:

. (2)

Показатель преломления n среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления среды:

, (3)

где c – скорость света в вакууме,  – скорость света в данной среде.

Абсолютные показатели преломления всех веществ больше единицы. Это означает, что скорость распространения света в любом веществе меньше скорости распространения света в вакууме.

Для двух сред с абсолютными показателями преломления n₁ и n₂ относительный n₂₁ равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:

. (4)

Среда с меньшим показателем преломления называется оптически менее плотной, среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду, то угол преломления  меньше угла падения  (рис.2, а). При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, угол преломления  оказывается больше угла падения  (рис.2, б).

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, то с увеличением угла падения увеличивается угол преломления, до тех пор пока при некотором угле падения  = _пр угол преломления  не окажется равным /2. Угол _пр называется предельным углом падения (рис. 3, а). При углах падения   _пр весь падающий свет полностью отражается. По мере приближения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет. Таким образом, при углах падения в пределах от _пр до /2 луч не преломляется , а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.

Предельный угол падения _пр определим из закона преломления , при подстановке  = /2 получим:

. (5)

Уравнение (5) удовлетворяет значениям угла _пр при n₂  n₁.

Если при переходе света из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления угол падения луча = /2 (луч скользит вдоль границы раздела сред), то он будет преломляться под углом _пр  /2 (рис. 3, б). Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Предельный угол преломления _пр определим из закона преломления , при подстановке = /2 получим:

. (6)

Уравнение (6) удовлетворяет значениям угла _пр при n₂  n₁.

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол падения (угол полного отражения) для данных сред зависят от их показателей преломления. Явление полного отражения используется в призмах полного отражения. Такие призмы применяют в оптических приборах, в частности, в приборах для измерения показатели преломления веществ – рефрактометрах.

О сновной частью прибора являются две прямоугольные призмы 1 и 2, сделанные из одного и того же сорта стекла (рис. 4).

Призмы соприкасаются гипотенузными гранями, между которыми имеется зазор около 0,1 мм. Между призмами помещают несколько капель жидкости, показатель преломления которой требуется определить. Лучи света от источника 3 направляются на боковую грань верхней призмы и, преломившись, попадают на гипотенузную грань АВ (рис. 4, а). Поверхность АВ матовая, поэтому свет рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, падает на грань CD нижней призмы под различными углами от 0 до 90⁰. Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, то лучи света входят в призму 2 в пределах от 0 до _пр. Пространство внутри этого угла будет освещенным, а вне его темным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубу, разделено на две части: темную и светлую. Положение границы раздела света и тени определяется предельным углом преломления, зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

Если жидкость имеет большой показатель поглощения (мутная, окрашенная жидкость), а показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, то во избежание потерь энергии при прохождении света через жидкость измерения проводят в отраженном свете. Ход лучей в рефрактометре в этом случае показан на рис. 4, б. Луч света от источника проходит через матовую боковую грань СМ нижней призмы 2. При этом свет рассеивается и падает на гипотенузную грань СD, соприкасающуюся с исследуемой жидкостью, под всевозможными углами от 0 до 90⁰. Лучи, падающие под углами, большими _пр, будут испытывать полное отражение и выходить через вторую боковую грань нижней призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, так же как и в первом случае, окажется разделенным на светлую и темную части. Положение границы раздела в данном случае определяется предельным углом полного отражения, также зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

С помощью рефрактометров можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления стекла измерительных призм (предел измерения показателя преломления 1,2 - 1,7).

Оптическая схема рефрактометра изображена на рис. 5.

В рефрактометре используется источник белого света 3. Вследствие дисперсии при прохождении светом измерительных призм 1 и 2 граница света и тени оказывается окрашенной и размытой. Для устранения этого перед объективом зрительной трубы помещают компенсатор 4. Он состоит из двух одинаковых призм, обладающих различным показателем преломления. Призмы подбирают так, чтобы монохроматический луч с длиной волны  = 589,3 мкм (длина волны желтой линии натрия) не испытывал отклонения после прохождения компенсатора. Лучи с другими длинами волн отклоняются призмами в различных направлениях. Перемещая призмы компенсатора с помощью специальной рукоятки, добиваются того, чтобы граница света и темноты стала более резкой и неокрашенной.

Лучи света, пройдя компенсатор, попадают в объектив 6 зрительной трубы. Изображение границы раздела свет – тень рассматривается в окуляре 7 зрительной трубы. Одновременно в окуляре рассматривается шкала 8. Так как предельный угол преломления и предельный угол полного отражения зависят от показателя преломления жидкости, то на шкале рефрактометра сразу нанесены з начения показателя преломления.

Оптическая система рефрактометра содержит также поворотную призму 5. Она позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно призмам 1 и 2, что делает наблюдение более удобным.

В фокальной плоскости окуляра зрительной трубы помещают стеклянную пластинку, на которую нанесена визирная линия (или крест, образованный тонкими нитями). Перемещением зрительной трубы добиваются совпадения визирной линии с границей свет – тень и по шкале определяют показатель преломления исследуемой жидкости. В некоторых современных рефрактометрах зрительная труба укрепляется неподвижно, а система измерительных призм может поворачиваться.

В нешний вид лабораторных рефрактометров представлен на рис. 6.

К корпусу прибора крепится измерительная камера 1, состоящая из измерительных призм. Граница раздела светотени и отсчетное устройство наблюдаются в зрительную трубу 2. Для устранения окрашенности границы светотени служит компенсатор, призмы которого вращаются маховиком 3. Подсветка исследуемого вещества осуществляется осветителем 4. Рукоятка 5 поворачивает зрительную трубу (рис. 6, а), а рукоятка 6 (рис. 6, б) поворачивает измерительную камеру и позволяет совместить границу светотени с перекрестием.

Поле зрения рефрактометров показано на рис. 7. На рис. 7а показано поле зрения рефрактометра, изображенного на рис. 6а, на рис. 7б показано поле зрения рефрактометра, изображенного на рис. 6б. При совмещении границы светотени с перекрестием по измерительной шкале определяют показатель преломления исследуемого вещества. Цена деления шкалы на рис. 7, а – 0,002, цена деления шкалы на рис. 7, б – 0,001.

б)

а)

Рис. 7