Задание №1.2. Определение показателя преломления и концентрации раствора сахара рефрактометром

Приборы и принадлежности

Рефрактометр Аббе (РПЛ-2); набор исследуемых сахарных растворов различной концентрации.

Цель задания – ознакомиться с принципом действия рефрактометра, определить показатель преломления сахарных растворов.

Краткая теория

Устройство рефрактометра Аббе основано на использовании явления полного внутреннего отражения.

П усть луч света падает на границу раздела двух сред со стороны оптически более плотной среды n₂ (рис. 1.4). Для углов падения r, меньших некоторого r' (луч 1), часть светового потока, преломляясь, проникает в менее плотную среду n₁ (луч 1''), а часть отражается от границы раздела (луч 1'). При углах падения r' < r'' < 90° преломления света не происходит и наступает полное внутреннее отражение (луч 2'). Предельный угол полного внутреннего отражения r' соответствует углу преломления r'' = 90° и, следовательно, .

Зная показатель преломления одной из сред, и определяя на опыте предельный угол, можно вычислить показатель преломления второй среды.

Рис. 1.4. Полное внутреннее отражение при переходе луча из более плотной в менее плотную оптическую среду, n₂ > n₁

При измерениях показателя преломления с помощью рефрактометра Аббе можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча. Оптическая схема рефрактометра показана на рис. 1.5.

Основная его часть содержит две стеклянные прямоугольные призмы P₁ и Р₂ , изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

При освещении призм Р₁ и Р₂ белым светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета. Чтобы получить резкое изображение, перед объективом Л₂ зрительной трубы помещают две призмы прямого зрения П₁ и П₂ (призмы Амичи). Каждая призма состоит из трех склеенных призм с различными показателями преломления и различной дисперсией (например, крайние призмы изготовлены из кронгласа, а средняя – из флингласа). Призмы рассчитаны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны 5893 Å не испытывал отклонения. Такое устройство называется компенсатором. Л₁  окуляр с отсчётной шкалой, расположенной в фокальной плоскости объектива Л₂ .

Рис. 1.5. Оптическая схема рефрактометра Аббе

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 6. Свет проникает в призму Р₁ через грань EF и попадает в жидкость через матовую грань ED. Свет, рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0°  i₁  90°) падает на сторону AC призмы Р₂. Скользящему лучу в жидкости (i₁= 90°) соответствует предельный угол преломления r₁. Преломленные лучи с углами больше r₁ не возникают. В связи с этим угол i₂ выхода лучей из грани AB может изменяться лишь в интервале от некоторого значения i₂ до 90°.

Если свет, выходящий из грани AB, пропустить через собирающую линзу Л₁, то в её фокальной плоскости наблюдается резкая граница светлого и темного полей. Граница рассматривается с помощью линзы Л₂ . Линзы Л₁ и Л₂ образуют зрительную трубу,

Рис. 1.6. Ход луча в призмах при использовании метода скользящего луча

установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими нитями. Положение границы в фокальной плоскости линз зависит от величины показателя преломления жидкости n. Вращая трубу относительно призм, можно совместить границу раздела света и тени с центром креста. В этом случае измерение показателя преломления сводится к измерению угла i₂, образованного нормалью к грани AB и оптической осью зрительной трубы.

При измерении показателя преломления жидкости методом полного внутреннего отражения призму Р₂ освещают со стороны грани BС (рис. 1.7) через специальное отверстие в кожухе прибора.

Грань BС делается матовой. Свет в этом случае падает на границу раздела AC под всевозможными углами. При r₁ > r'₁ наступает полное внутреннее отражение, при r₁ < r'₁ свет отражается лишь частично. В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полутени.

Так как условия, определяющие величину предельного угла в методе скользящего луча и в методе полного внутреннего отражения, совпадают, положение линии раздела в обоих случаях тоже оказывается одинаковым.

Рис. 1.7. Ход лучей при использовании метода

полного внутреннего отражения