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 общей фокальной плоскости объектива и окуляра зрительной трубы помещают стеклянную пластинку, на которую нанесена визирная линия. Перемещением зрительной трубы добиваются совпадения визирной линии с границей раздела света и тени и по шкале определяют значение показателя преломления.

 

8.3 Приборы и принадлежности: рефрактометр, пипетка, растворы различной концентрации.

Порядок выполнения работы

 

1. Подготовка прибора к работе. Для этого используется дистиллированная вода, показатель преломления которой n=1,333 при 20^оС. Необходимо добиться того, чтобы граница света и тени соответствовала отметке 1,333 шкалы.

2. Исследование показателя преломления раствора NaCl от концентрации. Результаты измерений заносят в таблицу 8.1. По результатам измерений строят на миллиметровой бумаге график n=f(C). По графику определяют показатель преломления раствора неизвестной концентрации.

Таблица 8.1

С, %	n1	n2	n3	<n>

 

Контрольные вопросы

 

1. Сформулируйте законы отражения и преломления света.

2. Что называется предельным углом преломления?

3. Что называется предельным углом отражения?

4. Опишите устройство рефрактометра.

5. Начертите ход лучей в рефрактометре в проходящем и отраженном свете.

6. С какой целью применяется рефрактометр в медико-биологических исследованиях?

 

Техника безопасности

Перед выполнением работы ознакомиться с правилами обращения с прибором.

Лабораторная работа. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ САХАРИМЕТРОМ

Цель работы: изучение принципа работы сахариметра, определение концентрации сахара в растворе.

 

Основные понятия и законы

 

Электромагнитную волну, в которой векторы Е и, следовательно, векторы Н лежат в одной плоскости, называют плоскополяризованной.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом (рисунок 9.1).

 

 

                                         Рисунок 9.1

 

В естественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампы, газоразрядной трубки, пламени и т.д., складываются неупорядоченные излучения многих хаотически ориентированных атомов, поэтому в естественном свете присутствуют любые направления колебаний вектора Е.

Если выбрать две любые взаимно перпендикулярные плоскости, проходящие через луч естественного света, и спроецировать векторы Е на эти плоскости, то проекции будут одинаковыми.

Устройство, позволяющее получить поляризованный свет из естественного, называется поляризатором. Он пропускает только составляющую вектора Е (и соответственно Н ) на некоторую плоскость – главную плоскость поляризатора. При этом через поляризатор проходит свет, интенсивность которого равна половине интенсивности падающего света. При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоскополяризованного луча, но интенсивность его не изменяется.

Поляризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.

Пусть колебания вектора Е поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол φ с главной плоскостью анализатора. Амплитуду E этих колебаний можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: Е₁ – совпадающую с главной плоскостью анализатора, Е₂ – перпендикулярную ей (рисунок 9.2).

             

         Е₁=Есоsφ,

             

        Е₂=Еsinφ.

 

                                             Рисунок 9.2

Первая составляющая колебаний пройдет через анализатор, вторая будет задержана им. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, следовательно интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна Е²соs² φ. Это выражает закон Малюса: cos² φ, где I_о – интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор, I – интенсивность света, прошедшего через анализатор.

Как видно из закона Малюса, при повороте анализатора относительно падающего луча интенсивность вышедшего света меняется от нуля до максимального значения.

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются законы преломления, поэтому этот луч называют обыкновенным (о), для другого – не выполняются, поэтому его называют необыкновенным (е). (рисунок 9.3).

 

 

                                               Рисунок 9.3

 

При нормальном падении света на поверхность кристалла обыкновенный (о) луч проходит не преломляясь, а необыкновенный (е) преломляется.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча распространяются с одинаковой скоростью, называют оптическими осями кристалла (на рисунке показана пунктиром). Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными. К ним относят исландский шпат, кварц, турмалин и др.

Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, является главной. Колебания вектора Е обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного – лежат в главной плоскости, т.е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Для понимания двойного лучепреломления рассмотрим ход обыкновенных и необыкновенных лучей в кристаллах с помощью волновых поверхностей. (рисунок 9.4,а – для положительных кристаллов, б – для отрицательных).

 

 

 

 

а                                    б

                                                Pисунок 9.4

Волновая поверхность обыкновенного луча представляет собой сферу, необыкновенного луча – эллипсоид.

Вдоль оптических осей скорость обыкновенной и необыкновенной волн одинакова и равна

v₀=c/n₀,

где n₀ - показатель преломления обыкновенного луча, имеющий разное значение для разных кристаллов.

Для положительных кристаллов скорость распространения необыкновенного луча меньше, чем обыкновенного, для отрицательных – наоборот. Наибольшее различие скоростей наблюдается в направлениях, перпендикулярных оптической оси.

На основе явления двойного лучепреломления устроена призма, предложенная У.Николем (призма Николя, или просто николь) (рисунок 9.5). Призма Николя представляет собой кристалл исландского шпата, распиленный по диагонали и склеенный канадским бальзамом. В призме Николя один из лучей, возникающих в результате двойного лучепреломления, устраняется весьма хитроумным способом. Обыкновенный луч, преломляющийся сильнее, падает на границу с канадским бальзамом под углом падения, большим, чем необыкновенный луч. Поскольку показатель преломления канадского бальзама меньше, чем исландского шпата, происходит полное внутреннее отражение и луч попадает на боковую грань, покрытую черной краской и, потому, поглощающей этот луч полностью. Из призмы выходит, таким образом, только один плоскополяризованный луч (необыкновенный). Плоскость поляризации этого луча носит название главной плоскости николя.

 

 

                                          Рисунок 9.5

На ином принципе основано действие поляризаторов, изготовленных из турмалина, герапатита и некоторых других кристаллов, которые наряду с двойным лучепреломлением могут поглощать один из лучей значительно сильнее, чем другой (дихроизм). Основным недостатком таких поляроидов по сравнению с николями являются их плохие спектральные характеристики. Белый свет, проходя через такой поляризатор, окрашивается.

Рассмотрим вращение плоскости поляризации и основы поляриметрии (рисунок 9.6).

 

 

                              Рисунок 9.6

 

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему «поляризатор – анализатор», главные плоскости которых перпендикулярны друг другу. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропускает в соответствии с законом Малюса плоскополяризованного света.

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то свет дойдет до наблюдателя. Если же анализатор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться затемнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствующий повороту анализатора для получения затемнения. Используя в опыте свет различной длины волны, можно обнаружить дисперсию вращения плоскости поляризации, т.е. зависимость угла поворота от длины волны.

Кварцевая пластинка толщиной 1мм. поворачивает плоскость поляризации приблизительно на следующие углы:

Таблица 9.1

Цвет	Угол поворота (в градусах)
Красный	15
Желтый	21
фиолетовый	51

Для определенной длины волны угол α поворота плоскости поляризации пропорционален пути l, пройденному светом в оптически активном веществе:

a=a₀l, где a₀ коэффициент пропорциональности, или постоянная вращения.

Для растворов установлен следующий количественный закон:

a=[a₀]cl, где С – концентрация оптически активного вещества, l - толщина раствора, [a₀] - удельное вращение, которое зависит от температуры, длины световой волны и свойств растворителя.

Данное соотношение лежит в основе весьма чувствительного метода измерения концентрации растворов, в частности, сахара.

Этот метод широко используют в медицине для определения концентрации сахара в моче.

Сахариметры позволяют определить не только концентрацию раствора, но также удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (дисперсию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют специальные приборы – спектрополяриметры.

 

Описание установки

 

Для определения концентрации раствора сахара используется сахариметр, оптическая схема которого приведена на рисунке 9.7.

Основными частями сахариметра являются: поляризатор (5), полутуневой анализатор (12) и кварцевый компенсатор, состоящий из подвижного кварцевого клина (9), соединенного со шкалой прибора, и неподвижного (11) кварцевого клина, соединенного со стеклянным контрклином (10). Между поляризатором и компенсатором располагается кювета (7), закрытая с обеих сторон прозрачными стеклами (6) и (8) и заполненная исследуемым раствором.

 

 

 

                                     Рисунок 9.7.

 

На поляризатор (5) от источника света (1) через матовое стекло (2) и светофильтр (3) направляется параллельный пучок лучей, полученный с помощью конденсора (4). В качестве поляризатора используется призма Николя, поэтому на кювету с исследуемым раствором сахара попадает плоскополяризованный свет.

Внешний вид прибора приведен на рисунке 9.8.

 

Рисунок 9.8

 

Он состоит из головки поляризатора (1), трубы (2) и головки анализатора (3). В головке поляризатора размещены поляризатор, поворотная обойма (4) с матовым стеклом и светофильтром, патрон с лампочкой, установка которого производится тремя винтами (5), и конденсор. В головке анализатора расположен полутеневой анализатор, кварцевый компенсатор, подвижный клин которого соединен с рукояткой (6) и шкалой прибора. Для рассматривания поля зрения используется зрительная труба (7). Она наводится на фокус вращением оправы. Шкала прибора рассматривается с помощью лупы (8) и наводится на резкость также вращением оправы.

Для более точных измерений шкала снабжена нониусом (рисунок 9.9).

 

Рисунок 9.9

 

На приведенном рисунке верхняя шкала – шкала нониуса, нижняя – основная шкала. На шкале нанесены так называемые международные сахарные градусы. Сто градусов этой шкалы (100° S°) соответствуют углу вращения раствора 26 г химически чистой сахарозы в 100 см³ воды при длине кюветы 2 дм. Для перехода к угловым градусам нужно показания сахариметра умножить на 0,3462.

Головки поляризатора и анализатора соединены трубой, в которой размещаются кюветы с исследуемыми растворами. Труба крепится на основании (9) с вмонтированным внутри трансформатором для питания электролампочки сахариметра. Тумблер включения трансформатора находится на передней части основания, вилка разъема (10) для подключения электролампочки к трансформатору находится с тыльной стороны основания.

 

9.3 Приборы и принадлежности: сахариметр, кюветы с раствором сахара различной концентрации.

 

Порядок выполнения работы

 

1) Включить в сеть вилку осветителя сахариметра и тумблером на станине прибора включить лампу.

2) Проверить правильность установки прибора. Для этого, рассматривая поле зрения через зрительную трубу, проверить, отчетливо или нет видна граница раздела поля зрения на две половинки. Если нет, то добиться отчетливого изображения границы раздела, поворачивая оправу окуляра.

3) Проверить четкость изображения делений шкалы и шкалы нониуса. С помощью рукоятки, соединенной с подвижным клином и шкалой сахариметра, добиться одинаково минимальной освещенности обеих половинок поля зрения и проверить, положение нуля: если прибор настроен правильно, то нуль нониуса совпадает с нулем основной шкалы (см. рисунок 9.9). Если нуль нониуса не совпадает с нулем основной шкалы, то отметить, на сколько делений нониуса смещен нуль основной шкалы: выбирают такое деление нониуса, которое точно совпадает с каким-либо делением основной шкалы.

4) Поместить кювету с исследуемым раствором в сахариметр, добиться одинаковой минимальной освещенности обеих половинок поля зрения, сделать отсчет по шкале.

Отсчет по шкале производится следующим образом. Отмечают число целых делений по основной шкале напротив нуля нониуса. Затем делают отсчет по шкале нониуса: выбирают такое деление нониуса, которое точно совпадает с каким-либо делением основной шкалы (на рисунке 9.10 отсчет равен 10,6).

Повторить измерения три раза.

Рисунок 9.10

 

5) Произвести такие же измерения для остальных кювет. Результаты занести в таблицу 9.2.

6) Построить график зависимости угла поворота α от концентрации раствора. По графику определить концентрацию неизвестного раствора С_х.

 

Таблица 9.2

С,%	n1	n2	n3	<n>	α=<n>–<nо>

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое естественный и поляризованный свет?

2. Укажите способы получения поляризованного света.

3. В чем заключается явление двойного лучепреломления?

4. Изобразите ход лучей в призме Николя.

5. Сформулируйте закон Малюса.

6. Какие вещества называют оптически активными?

7. Изобразите оптическую схему сахариметра.

8. С какой целью используют сахариметр в медицине?

 

Техника безопасности

 

1. Беречь глаза от прямого попадания света от осветителя.

2. Перед выполнением работы ознакомиться с правилами обращения с прибором.