Лабораторная работа. Определение показателя преломления жидкости

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

 

Теоретические сведения

 

При переходе света через границу раздела двух сред происходит изменение направления его распространения: свет частично отражается, частично преломляется.

Абсолютный показатель преломления среды n=c/v , где c – скорость распространения света в вакууме, v – скорость его распространения в данной среде.

Сформулируем законы отражения и преломления света.

 

Рисунок 8.1

 

На рисунке 8.1 АВ – падающий луч, ВС – отраженный луч, МN – нормаль к границе раздела двух сред, проведенная через точку падения. α – угол падения луча, γ – угол отражения. Законов отражения два:

1. Падающий луч, отраженный луч и нормаль к границе раздела двух сред, проведенная через точку падения, лежат в одной плоскости.

2. Угол отражения равен углу падения γ=α.

На рисунке 8.2 показано преломление света на границе раздела сред, показатели преломления которых, соответственно n₁ и n₂  .АВ – падающий луч, ВС – преломленный луч, МN – нормаль к границе раздела двух сред, проведенная через точку падения. α – угол падения β – угол преломления. Законов преломления тоже два:

1. Падающий луч, преломленный луч и нормаль к границе раздела двух сред, проведенная через точку падения, лежат в одной плоскости.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателей преломления второй среды и первой:

sinα/sinβ=n₂/n₁.                                                                  (8.1)

 

Рисунок 8.2

Из формулы (8.1) следует, что 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 (рисунок 8.3, а)

 

 

а)                                                               б)

Рисунок 8.3

Если луч падает на границу раздела сред под наибольшим возможным углом α=π/2 (луч скользит по границе раздела сред), то он будет преломляться под углом r_пр<π/2. Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Из закона преломления света следует

n₂/ n₁= sin(π/2)/sinr_пр=1/ sinr_пр, откуда sinr_пр= n_1/ n₂.

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (рисунок 8.3,б). При некотором угле падения α_пр (луч 2) угол преломления равен π/2, т.е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела двух сред (луч 2^'). При дальнейшем увеличении угла падения (луч 3) преломление не происходит, весь падающий свет отражается (полное отражение). Угол α_пр называется предельным углом полного отражения. Из закона преломления следует

n₂/ n₁= sin α_пр/sin(π/2), поэтому

sin α_пр= n₂/ n₁.                                              (8.2)

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ – рефрактометрах (рисунок 8.4), используемых при исследовании чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ и т.д.

 

 

Рисунок 8.4

 

Описание установки

 

Основной частью рефрактометра являются прямоугольные призмы 1 и 2, изготовленные из одного и того же сорта стекла. Призмы соприкасаются гипотенузными гранями, между которыми имеется зазор 0,1 мм. Между призмами помещают каплю исследуемой жидкости.

 

 

 

 

Рисунок 8.5

Луч света от источника 3 (рисунок 8.5) направляется на боковую грань верхней призмы и, преломившись, попадает на гипотенузную грань АВ. Поверхность АВ матовая, поэтому свет рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, попадает на грань СD нижней призмы под различными углами от 0 до 90^о. Если показатель преломления жидкости меньше, чем показатель преломления стекла, то лучи света входят в призму 2 в пределах от 0 до r_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 исследуемая жидкость имеет большой показатель преломления (мутная, окрашенная жидкость), то во избежание потерь энергии при прохождении света через жидкость измерения проводят в отраженном свете. Ход лучей в рефрактометре в этом случае показан на рисунке 8.6.

 

 

 

Рисунок 8.6

 

Луч света от источника проходит через матовую боковую грань СМ нижней призмы. При этом свет рассеивается и попадает на гипотенузную грань СD, соприкасающуюся с исследуемой жидкостью, под всевозможными углами от 0 до 90^о. Если жидкость оптически менее плотная, чем стекло, то лучи, падающие под углами, большими i_пр, будут испытывать полное отражение и выходить через вторую боковую грань нижней призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, будет, как и в первом случае, разделено на светлую и темную части. Положение границы раздела в данном случае определяется предельным углом полного отражения, который зависит от показателя преломления исследуемой жидкости.

С помощью этого прибора можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления измерительных призм.

Оптическая система рефрактометра изображена на рисунке 8.7.

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

Лучи света, пройдя компенсатор, попадают в объектив 6 зрительной трубы. Изображение границы раздела света и тени рассматривается в окуляр 7 зрительной трубы. Одновременно в окуляр рассматривается шкала 8, на которой нанесены сразу значения показателя преломления.

 

 

Рисунок 8.7