Определение показателя преломления жидкости с помощью рефрактометра кратко

Обновлено: 07.07.2024

Косметических средств, БАД к пище, фасовка пищевой продукции.

Методика определения показателя преломления

Преломление или рефракция — это явление, при котором происходит изменение направленности луча света, или иных волн, когда они переходят границу, разделяющую две среды, как прозрачные (пропускающие эти волны), так и внутри среды, в которой непрерывно изменяются свойства.

Показатель преломления - важная характеристика вещества, связанная с его физико-химическими свойствами. Он находится в зависимости от значений температур, а также от длины световых волн, при которых проводится определение. По данным контроля качества в растворе на показатель преломления влияет концентрация растворенного в нем вещества, а также природа растворителя. В частности, на показатель преломления кровяной сыворотки влияет количество белка, содержащегося в ней.Это происходит из-за того, что при разной скорости распространения световых лучей в средах, имеющих различную плотность, их направление изменяется в месте раздела двух сред. Если мы разделим световую скорость в вакууме на световую скорость в исследуемом веществе, получится показатель преломления абсолютный (индекс рефракции). Практически определяется показатель преломления относительный ( n ), представляющий собой отношение световой скорости в воздухе к световой скорости в исследуемом веществе.

Количественно показатель преломления определяют, используя специальный прибор - рефрактометр.

Рефрактометрия - один из наиболее легких методов физического анализа и может применяться в лабораториях контроля качества при производстве химической, пищевой, биологически активных добавок к пище, косметической и других видов продукции с минимальными затратами времени и количества исследуемых проб.

Конструкция рефрактометра основана на том, что лучи света полностью отражаются, когда переходят через границу двух сред (одна из них – это призма из стекла, другая – исследуемый раствор) (рис. 3).

Рис. 3. Схема рефрактометра

От источника (1) световой луч падает на зеркальную поверхность (2), затем, отражаясь, переходит в верхнюю призму осветительную (3), потом в нижнюю призму измерительную (4), которая изготовлена из стекла, обладающего большим показателем преломления. Между призмами (3) и (4) с помощью капилляра наносят 1–2 капельки пробы. Чтобы не нанести призме механических повреждений, необходимо не касаться капилляром ее поверхности.

В окуляр (9) видят поле с перекрещенными линиями, чтобы установить границу раздела. Перемещая окуляр, точку пересечения полей нужно совместить с границей раздела (рис. 4).Плоскость призмы (4) играет роль границы раздела, на поверхности которой преломляется световой луч. Так как лучи рассеиваются, граница света и тени получается расплывчатой, радужной. Это явление устраняется компенсатором дисперсии (5). Затем луч пропускается объективом (6) и призмой (7). На пластине (8) имеются штрихи визирные (две прямые линии, пересеченные крестообразно), а также шкала с показателями преломления, которая наблюдается в окуляр (9). По ней и отсчитывается показатель преломления.

Рис. 4. Окуляр рефрактометра слева – шкала показаний преломления; справа – шкала процентного содержания сухих веществ; между призмами находится вода дистиллированная.

Линия раздела границ полей будет соответствовать углу внутреннего полного отражения, зависящего от показателя преломления пробы.

Рефрактометрия применяется с целью установления чистоты и подлинности вещества. Этот метод применяется также, чтобы при контроле качества определить концентрацию веществ в растворах, которую вычисляют по градуировочному графику (график, показывающий зависимость показателя преломления пробы от ее концентрации).

Если по результатам входного контроля сырья показатель преломления не соответствует необходимым требованиям, отделом контроля качества оформляется Акт о несоответствии, на основании которого данная партия сырья возвращается поставщику.

Методика определения

1. Перед началом измерений проверяется чистота поверхностей призм, соприкасающихся между собой.

2. Проверка точки нуля. На поверхность призмы измерительной наносим 2÷3 капли воды дистиллированной, осторожно закрываем призмой осветительной. Открываем осветительное окошко и, применяя зеркало, устанавливаем световой источник в наиболее интенсивном направлении. Вращая винты окуляра, получаем в его поле зрения четкое, резкое разграничение темного и светлого полей. Вращаем винт и наводим линию тени и света так, чтобы она совпала с точкой, в которой пересекаются линии в верхнем окошке окуляра. На вертикальной линии в нижнем окошке окуляра видим нужный результат – показатель преломления воды дистиллированной при 20 ° С (1,333). Если показания другие, устанавливаем винтом показатель преломления на значение 1,333, и с помощью ключа (снять винт регулировочный) приводим границу тени и света к месту точки пересечения линий.

3. Определяем коэффициент преломления. Приподнимаем камеру призмы осветительной и бумагой фильтровальной или салфеткой марлевой снимаем воду. Далее наносим 1-2 капли испытуемого раствора на поверхность призмы измерительной и закрываем камеру. Вращаем винты до момента, пока границы тени и света не совпадут с точкой пересечения линий. На вертикальной линии в нижнем окошке окуляра видим нужный результат – показатель преломления исследуемой пробы. Производим подсчет коэффициента преломления по шкале в нижнем окошке окуляра.

4. Используя градуировочный график, устанавливаем взаимосвязь между концентрацией раствора и показателем преломления. Чтобы построить график необходимо приготовить стандартные растворы нескольких концентраций, используя препараты химически чистых веществ, измерить их показатели преломления и отложить полученные значения на оси ординат, на оси абсцисс отложить соответствующие концентрации растворов. Необходимо выбирать интервалы концентраций, при которых между концентрацией и показателем преломления наблюдается зависимость линейная. Измеряем показатель преломления исследуемой пробы и с помощью графика определяем его концентрацию.

5. После завершения определения промываем камеры водой дистиллированной и вытираем досуха салфеткой или бумагой фильтровальной, закладываем между камерами прокладку, используя тонкий слой ваты.

Цель работы: ознакомление с принципом дейсвия рефрактометра; освоение методики измерений показателя преломления на рефрактометре Аббе. Изменение показателей преломления некоторых жидкостей.

Оборудование: рефрактометр ИРФ-22. Жидкости с неизвестным показателем преломления.

Краткая теория

При преломлении немонохроматического света происходит его разложение на составные цвета в спектр. Это явление обусловлено зависимостью показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света и называется дисперсией света.

Принято характеризовать преломляющую способность среды показателем преломления на длине волны λ = 589,3 нм (среднее значение длин волн двух близких желтых линий в спектре паров натрия). Этот показатель преломления обозначается n_D.

Мерой дисперсии служит средняя дисперсия, определяемая как разность (n_F - n_C), где n_F - показатель преломления вещества на длине волны λ = 486,1 нм (голубая линия в спектре водорода), n_C – показатель преломления вещества на λ - 656,3 нм (красная линия в спектре водорода).

Преломление вещества характеризуют величиной относительной дисперсии: В справочниках обычно приводится величина, обратная относительной дисперсии, т. е. ,где - коэффициент дисперсии, или число Аббе.

Установка для определения показателя преломления жидкостей состоит из рефрактометра ИРФ-454Б с пределами измерения показателя; преломления n_D в диапазоне от 1,2 до 1,7; исследуемой жидкости, салфетки для протирания поверхностей призм.

Рефрактометр ИРФ-454Б является контрольно-измерительным прибором, предназначенным для непосредственного измерения показателя преломления жидкостей, а также для определения средней дисперсии жидкостей в лабораторных условиях.

Принцип действия прибора ИРФ-454Б основан на явлении полного внутреннего отражения света. Принципиальная схема прибора показана на рис. 1.

Исследуемая жидкость помещается между двумя гранями призмы 1 и 2. Призма 2 с хорошо отполированной гранью АВ является измерительной, а призма 1 с матовой гранью А₁В₁ - осветительной. Лучи от источника света падают на грань А₁С₁, преломляются, падают на матовую поверхность А₁В₁ и рассеиваются этой поверхностью. Затем они проходят слой исследуемой жидкости и попадают на поверхность АВ призмы 2.

Рис. 1.

По закону преломления , где и - углы преломления лучей в жидкости и призме соответственно. При увеличении угла падения угол преломления также увеличивается и достигает максимального значения , когда , т. е. когда луч в жидкости скользит по поверхности АВ. Следовательно, . Таким образом, выходящие из призмы 2 лучи ограничены определенным углом . Лучи, идущие из жидкости в призму 2 под большими углами претерпевают полное внутреннее отражение на границе раздела АВ и не проходят через призму.

На рассматриваемом приборе исследуются жидкости, показатель преломления которых меньше показателя преломления призмы 2, следовательно, лучи всех направлений, преломившиеся на границе жидкости и стекла, войдут в призму. Очевидно, часть призмы, соответствующая не прошедшим лучам будет затемненной. В зрительную трубу 4, расположенную на пути выходящих из призмы лучей, можно наблюдать разделение поля зрения на светлую и темную части. Поворачивая систему призм 1-2, совмещают границу раздела светлого и темного поля с крестом нитей окуляра зрительной трубы. Система призм 1-2 связана со шкалой, которая отградуирована в значениях показателя преломления. Шкала расположена в нижней части поля зрения трубы и при совмещении раздела поля зрения с крестом нитей даёт соответствующее значение показателя преломления жидкости .

Из-за дисперсии граница раздела поля зрения в белом свете будет окрашена. Для устранения окрашенности, а также для определения средней дисперсии исследуемого вещества служит компенсатор 3, состоящий из двух систем склеенных призм прямого зрения (призм Амичи). Призмы можно вращать одновременно в разные стороны с помощью точного поворотного механического устройства, меняя тем самым собственную дисперсию компенсатора и устраняя окрашенность границы поля зрения, наблюдаемую через оптическую систему 4. С компенсатором связан барабан со шкалой, по которой определяют параметр дисперсии, позволяющий рассчитать среднюю дисперсию вещества.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

Саранск 2011

Оборудование: рефрактометр ИРФ-22. Жидкости с неизвестным показателем преломления.

Краткая теория

Рис. 1.

Рефрактометрия является одним из самых простых физических методов анализа с затратой минимального количества анализируемого вещества и проводится за очень короткое время. Этот метод применяется для идентификации веществ, установления их чистоты, определения концентрации растворов.

Метод рефрактометрии основан на измерении показателя преломления света n анализируемым веществом. Показателем преломления называется отношение скорости распространения света в воздухе к скорости распространения света в исследуемом веществе. Величина показателя преломления зависит от природы вещества, температуры, длины световой волны, при которой проводят определение. В растворах показатель преломления зависит также от концентрации растворенного вещества и природы растворителя.

Различная скорость распространения луча света в средах с различной плотностью вызывает изменение его направления при переходе из одной среды в другую, т.е. рефракцию. Отношение скорости распространения света в воздухе v₁ к скорости распространения света в веществе v₂, равное отношению синусов угла падения луча света α и угла его преломления β, называется показателем (коэффициентом) преломления n и является величиной, постоянной для данной длины волны:

При прохождении луча света из среды с меньшим значением n в среду с большим показателем преломления (рис.13а) β 0 , то β 0 . При дальнейшем увеличении угла падения (луч D) падающий свет полностью отражается от границы раздела и не попадает в менее плотную среду, происходит полное внутреннее отражение. Справа (при наблюдении против светового потока) от предельного луча D' находится затемненное поле, слева – освещенное поле.

Рис.13. Преломление луча света при переходе из одной среды в другую:

а – преломление луча света при прохождении из менее плотной среды 1 в более плотную среду 2; б – преломление луча света при углах падения, приближающихся к 90 0 ; предельный луч D - D' (полное внутреннее отражение).

Устройство рефрактометра основано на явлении полного внутреннего отражения луча света на границе двух сред (одна – стеклянная призма, другая – анализируемый раствор) или на положении предельного луча на границе светотени (рис.14).

Рис. 14. Схема рефрактометра РЛ – 2:

1 – свет от источника; 2 – зеркало; 3 – осветительная призма; 4 – измерительная призма; 5 – компенсатор; 6- объектив; 7 – призма; 8 –пластинка с визирными штрихами и шкалой показателей преломления; 9 – окуляр.

Свет от источника 1 попадает на зеркало 2 и, отражаясь, проходит в верхнюю осветительную призму 3, затем в нижнюю измерительную призму 4, изготовленную из специального стекла с высоким показателем преломления. Между гипотенузными поверхностями призм 3 и 4 капилляром помещают 1–2 капли анализируемой жидкости. Чтобы избежать механических повреждений призмы, капилляр не должен касаться ее поверхности.

Поверхность призмы 4 служит границей раздела, на которой происходит преломление луча света. Вследствие рассеивания лучей граница светотени получается радужной, расплывчатой; компенсатор дисперсии 5 устраняет это явление. Далее свет проходит через объектив 6 и призму 7. На пластинке 8 нанесены визирные штрихи (две крестообразно пересеченные прямые линии) и шкала показателей преломления, наблюдаемая в окуляре 9. По шкале отсчитывают показатель преломления с тремя знаками после запятой, четвертый знак оценивают на глаз.

В окуляре 9 видно поле с перекрещивающимися линиями для установления границы раздела. Передвижением окуляра совмещают точку перекрестия с границей раздела полей (рис.15).

Рис. 15. Поле зрения в окуляре рефрактометра:

слева – шкала показаний преломления; справа – шкала процентного содержания сухих веществ; между призмами находится дистиллированная вода.

Положение границы раздела полей соответствует углу полного внутреннего отражения и зависит от показателя преломления анализируемой жидкости.

Лабораторный рефрактометр РЛ – 2 (рис. 16) имеет две шкалы – показателей преломления (от 1,33 до 1,54) и содержания сухих веществ, выраженного в % (мас.) сахарозы, - от 0 до 95% (мас.).

Показатель преломления обычно измеряют при температуре (20 ± 0,3) º С и длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм). Показатель преломления, определенный при таких условиях, обозначается индексом n_D 20 .

Показатель преломления дистиллированной воды n₁ 0 =1,33299, практически этот же показатель принимается в качестве отсчетного как n₀ = 1,333.

Рис.16. Рефрактометр РЛ – 2:

1 – основание; 2 – колонка; 3 – корпус; 4 – дисперсионный лимб для устранения спектральной окраски светотени; 5 – отражательное зеркало; 6 – камера измерительной призмы; 7 – шарнир, соединяющий призмы; 8 – осветительная призма; 9 – термометр; 10 – отверстие для регулирования шкалы рефрактометра; 11 – шкала для отсчета; 12 – рукоятка; 13 – окуляр

Порядок работы:

1. Проверка чистоты соприкасающихся поверхностей призм (до начала измерений).

2. Проверка нулевой точки. На поверхность измерительной призмы нанести 2–3 капли дистиллированной воды, осторожно закрыть осветительной призмой. Открыть осветительное оконце и установить в направлении наибольшей интенсивности источника света с помощью зеркала. Путем вращения винтов получить в поле зрения окуляра резкое, четкое разграничение светлого и темного полей. Вращая винт, навести линию света и тени точно до совпадения с точкой пересечения линии в верхнем оконце окуляра. Вертикальная линия в нижнем оконце окуляра указывает результат измерения – показатель преломления воды при 20 ° С – 1,333. В случае других показаний показатель преломления устанавливают винтом на 1,333, а при помощи ключа (регулировочный винт снять) приводят границу света и тени к точке пересечения линий.

3. Определение коэффициента преломления. После установки прибора на нулевую точку приподнимают камеру осветительной призмы и фильтровальной бумагой или марлевой салфеткой снимают воду. Затем наносят 1-2 капли исследуемого раствора на плоскость измерительной призмы, камеру закрывают. Вращают винты до совпадения границы света и тени с точкой пересечений линий. По шкале в нижнем оконце окуляра производят отсчет коэффициента преломления раствора.

4. Взаимосвязь между концентрацией двухкомпонентного раствора и покателем преломления устанавливают по градуировочному графику. Для построения графика готовят стандартные растворы из препарата химически чистого вещества, измеряют показатели преломления 3–4 раза, вычисляют среднеарифметическое и откладывают полученную величину на оси ординат, на оси абсцисс – концентрацию растворов. Такой график часто представляет собой практически прямую линию. Измерив показатель преломления анализируемого раствора, по графику находят его концентрацию.

5. Окончание работы на рефрактометре. После каждого определения необходимо обе камеры промыть водой и вытереть досуха фильтровальной бумагой или салфеткой, между камерами заложить прокладку из тонкого слоя ваты.

Преломляющие свойства вещества, обусловленные строением его молекулы, характеризуются молекулярной рефракцией R_м и описываются уравнением Лоренца – Лорентца:

где М – молярная масса вещества, г/моль;

d – плотность х 10 3 кг/м 3 .

Молекулярная рефракция не зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Для химических соединений она представляет собой аддитивную величину, что применяется при установлении состава и строения органических веществ. Молекулярную рефракцию вычисляют как сумму атомных рефракций и инкрементов кратных связей (табл.1). С другой стороны, измеряют показатель преломления и плотность идентифицируемого вещества при 20 º С. Эти величины, а также молярную массу вещества вводят в уравнение. В обоих случаях должна получаться практически одинаковая молекулярная рефракция.

Атомные рефракции некоторых химических элементы и инкрементов кратных связей (20 0 С, λ = 589 нм)

Небольшое различие двух значений R_м (31,2 – 30,9 = 0,3) свидетельствуют о том, что анализируемая жидкость действительно представляет собой хлорбензол. Существенные расхождения между значениями Rм, найденными двумя способами, могут обусловливаться экспериментальными погрешностями, значительным загрязнением анализируемого вещества, а также тем, что препарат не является хлорбензолом.

Меры предосторожности при работе

Быстрее всего в приборе выходят из строя призмы, поэтому необходимо соблюдать следующие меры предосторожности при обращении с ними.

1. Перед определением показателя преломления призмы тщательно очищают от грязи и пыли.

2. Не измеряют показатели преломления кислот и щелочей, так как они разъедают поверхность призм.

3. После проведения измерений протирают поверхность призм чистой мягкой салфеткой, смоченной водой или спиртом, вытирают насухо и закладывают между призмами небольшую сухую чистую салфетку или вату.

4. Категорически запрещается: а) вращать винт, окрашенный красной краской;

б) оставлять на продолжительное время между призмами исследуемую жидкость, так как поверхность призм после этого покрывается тонким матовым слоем и измерение показателя преломления становится невозможным.

Задание к лабораторной работе№7

1. Определить показатели преломления органических растворителей и сравнить с известными значениями n 20 _D. Проанализировать полученные результаты.

Органические растворители n 20 _D

Иодистый метил 1,5207

1 – Бромнафталин 1,6582

2. Построить калибровочный график зависимости показателей преломления от концентрации этилового спирта в воде.

3.Определить концентрацию выданного преподавателем раствора этилового спирта в воде.

4.Экспериментально определить и вычислить молекулярную рефракцию этанола. Проанализировать полученные результаты.

Обратимся к более подробному рассмотрению показателя преломления, введенного нами в §81 при формулировке закона преломления.

Показатель преломления зависит от оптических свойств и той среды, из которой луч падает, и той среды, в которую он проникает.

Показатель преломления, полученный в том случае, когда свет из вакуума падает на какую-либо среду, называется абсолютным показателем преломления данной среды.

Рис. 184. Относительный показатель преломления двух сред:

Пусть абсолютный показатель преломления первой среды есть а второй среды — . Рассматривая преломление на границе первой и второй сред, убедимся, что показатель преломления при переходе из первой среды во вторую, так называемый относительный показатель преломления, равен отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред:

Наоборот, при переходе из второй среды в первую имеем относительный показатель преломления

Установленная связь между относительным показателем преломления двух сред и их абсолютными показателями преломления могла бы быть выведена и теоретическим путем, без новых опытов, подобно тому, как это можно сделать для закона обратимости (§82),

Среда, обладающая большим показателем преломления, называется оптически более плотной. Обычно измеряется показатель преломления различных сред относительно воздуха.

Абсолютный показатель преломления воздуха равен . Таким образом, абсолютный показатель преломления какой-либо среды связан с ее показателем преломления относительно воздуха формулой

В табл. 6 содержатся относительные показатели преломления, найденные для ряда случаев преломления света на границе воздуха и соответствующей среды.

Таблица 6. Показатель преломления различных веществ относительно воздуха

Жидкости	Твердые вещества
Вещество	Вещество
Вода	1,333	Сахар	1,56
Спирт этиловый	1,362	Алмаз	2,417
Сероуглерод	1,632	Рубин	1,76
Глицерин	1,47	Стекло (легкий крон)	1,57
Жидкий водород	1,12	Стекло (тяжелый флинт)	1,80
Жидкий гелий	1,028	Лед	1,31

Показатель преломления зависит от длины волны света, т. е. от его цвета. Различным цветам соответствуют различные показатели преломления. Это явление, называемое дисперсией, играет важную роль в оптике. Мы неоднократно будем иметь дело с этим явлением в последующих главах. Данные, приведенные в табл. 6, относятся к желтому свету.

Интересно отметить, что закон отражения может быть формально записан в том же виде, что и закон преломления. Вспомним, что мы условились всегда измерять углы от перпендикуляра к соответствующему лучу. Следовательно, мы должны считать угол падения и угол отражения имеющими противоположные знаки, т.е. закон отражения можно записать в виде

Сравнивая (83.4) с законом преломления, мы видим, что закон отражения можно рассматривать как частный случай закона преломления при . Это формальное сходство законов отражения и преломления приносит большую пользу при решении практических задач.

В предыдущем изложении показатель преломления имел смысл константы среды, не зависящей от интенсивности проходящего через нее света. Такое истолкование показателя преломления вполне естественно, однако в случае больших интенсивностей излучения, достижимых при использовании современных лазеров, оно не оправдывается. Свойства среды, через которую проходит сильное световое излучение, в этом случае зависят от его интенсивности. Как говорят, среда становится нелинейной. Нелинейность среды проявляется, в частности, в том, что световая волна большой интенсивности изменяет показатель преломления. Зависимость показателя преломления от интенсивности излучения имеет вид

Здесь — обычный показатель преломления, а — нелинейный показатель преломления, — множитель пропорциональности. Добавочный член в этой формуле может быть как положительным, так и отрицательным.

Относительные изменения показателя преломления сравнительно невелики. При нелинейный показатель преломления .

Однако даже такие небольшие изменения показателя преломления ощутимы: они проявляются в своеобразном явлении самофокусировки света.

Рассмотрим среду с положительным нелинейным показателем преломления. В этом случае области повышенной интенсивности света являются одновременной областями увеличенного показателя преломления. Обычно в реальном лазерном излучении распределение интенсивности по сечению пучка лучей неоднородно: интенсивность максимальна по оси и плавно спадает к краям пучка, как это показано на рис. 185 сплошными кривыми.

Подобное распределение описывает также изменение показателя преломления по сечению кюветы с нелинейной средой, вдоль оси которой распространяется лазерный луч. Показатель преломления, наибольший по оси кюветы, плавно спадает к ее стенкам (штриховые кривые на рис. 185).

Пучок лучей, выходящий из лазера параллельно оси, попадая в среду с переменным показателем преломления , отклоняется в ту сторону, где больше. Поэтому повышенная интенсивность вблизи осп кюветы приводит к концентрации световых лучей в этой области, показанной схематически в сечениях и на рис. 185, а это приводит к дальнейшему возрастанию .

В конечном итоге эффективное сечение светового пучка, проходящего через нелинейную среду, существенно уменьшается. Свет проходит как бы по узкому каналу с повышенным показателем преломления. Таким образом, лазерный пучок лучей сужается, нелинейная среда под действием интенсивного излучения действует как собирающая линза. Это явление носит название самофокусировки. Его можно наблюдать, например, в жидком нитробензоле.

Рис. 185. Распределение интенсивности излучения и показателя преломления по сечению лазерного пучка лучей на входе в кювету (а), вблизи входного торца ( ), в середине ( ), вблизи выходного торца кюветы ( )

Определение показателя преломления жидкостей при помощи рефрактометра

Определение показателя преломления прозрачных твердых тел и жидкостей

Цель работы: определить показатели преломления стекла и жидкостей.

Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа

Для определения показателя преломления прозрачного твердого тела применяется плоскопараллельная пластинка, изготовленная из этого материала, с меткой.

Метка представляет собой две взаимно перпендикулярные царапины, одна из которых (А) нанесена на нижнюю, а вторая (В) — на верхнюю поверхность пластинки. Пластинка освещается монохроматическим светом и рассматривается в микроскоп. На
рис. 4.7 представлено сечение исследуемой пластинки вертикальной плоскостью.

Лучи АД и АЕ после преломления на границе стекло – воздух идут по направлениям ДД1 и ЕЕ1 и попадают в объектив микроскопа.

Наблюдатель, который смотрит на пластину сверху, видит точку А на пересечении продолжения лучей ДД1 и ЕЕ1, т.е. в точке С.

Таким образом, точка А кажется наблюдателю расположенной в точке С. Найдем связь между показателем преломления n материала пластинки, толщиной d и кажущейся толщиной d1 пластинки.

4.7 видно, что ВД = ВСtgi, BD = АВtgr, откуда

где AB = d – толщина пластинки; ВС = d1 кажущаяся толщина пластинки.

Если углы i и r малые, то

Sini/Sinr = tgi/tgr, (4.5)

т.е. Sini/Sinr = d/d1.

Учитывая закон преломления света, получим

Измерение d/d1 производится с помощью микроскопа.

Оптическая схема микроскопа состоит из двух систем: наблюдательной, в которую входят объектив и окуляр, вмонтированные в тубус, и осветительной, состоящей из зеркала и съемного светофильтра. Фокусировка изображения проводится вращением рукояток, расположенных по обе стороны от тубуса.

На оси правой рукоятки укреплен диск со шкалой лимб.

Отсчет b по лимбу относительно неподвижного указателя определяет расстояние h от объектива до предметного столика микроскопа:

Коэффициент k указывает, на какую высоту смещается тубус микроскопа при повороте рукоятки на 1°.

Диаметр объектива в данной установке мал по сравнению с расстоянием h, поэтому крайний луч, который попадает в объектив, образует малый угол i с оптической осью микроскопа.

Угол преломления r света в пластинке меньше, чем угол i ,т.е. тоже мал, что соответствует условию (4.5).

Порядок выполнения работы

1. Положить пластинку на предметный столик микроскопа так, чтобы точка пересечения штрихов А и В (см. рис. 4.7) находилась в поле зрения.

2. Вращая рукоятку подъемного механизма, поднять тубус в верхнее положение.

3. Глядя в окуляр, вращением рукоятки опускать тубус микроскопа плавно до тех пор, пока в поле зрения не получится четкое изображение царапины В, нанесенной на верхнюю поверхность пластинки. Записать показание b1 лимба, которое пропорционально расстоянию h1 от объектива микроскопа до верхней грани пластинки: h1 = kb1 (рис. 4.8, а).

4. Продолжить опускание тубуса плавно до тех пор, пока не получится четкое изображение царапины А, которая кажется наблюдателю расположенной в точке С. Записать новое показание b2 лимба. Расстояние h1 от объектива до верхней поверхности пластинки пропорционально b2:
h2 = kb2 (рис. 4.8, б).

Расстояния от точек В и С до объектива равны, так как наблюдатель видит их одинаково четко.

Смещение тубуса h1-h2 равно кажущейся толщине пластинки (рис.4.8, б)

d1 = h1-h2 = (b1-b2)k. (4.8)

5. Измерить толщину пластинки d в месте пересечения штрихов. Для этого под исследуемую пластинку 1 (рис. 4.9) поместить вспомогательную стеклянную пластинку 2 и опускать тубус микроскопа до тех пор, пока объектив не коснется (слегка) исследуемой пластинки. Заметить показание лимба a1 . Снять иссле-дуемую пластинку и опускать тубус микроскопа до тех пор, пока объектив не коснется пластинки 2.

Заметить показание a2.

Объектив микроскопа опустится при этом на высоту, равную толщине исследуемой пластинки, т.е.

6. Вычислить показатель преломления материала пластинки по формуле

n = d/d1 = (a1-a2)/(b1-b2). (4.10)

7. Повторить все указанные выше измерения 3 — 5 раз, вычислить среднее значение n, абсолютную и относительную погрешности rn и rn/n.

Определение показателя преломления жидкостей при помощи рефрактометра

Приборы, которые служат для определения показателей преломления, называются рефрактометрами.

Общий вид и оптическая схема рефрактометра РЛ показаны на рис. 4.10 и 4.11.

Измерение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра РЛ основано на явлении преломления света, прошедшего через границу раздела двух сред с разными показателями преломления.

Световой пучок (рис.4.11) от источника 1 (лампа накаливания или дневной рассеянный свет) с помощью зеркала 2 направляется через окошко в корпусе прибора на двойную призму, состоящую из призм 3 и 4, которые изготовлены из стекла с показателем преломления 1,540.

Поверхность АА верхней осветительной призмы 3 (рис.4.12, а) матовая и служит для освещения рассеянным светом жидкости, нанесенным тонким слоем в зазоре между призмами 3 и 4.

Свет, рассеянный матовой поверхностью 3, проходит плоскопараллельный слой исследуемой жидкости и падает на диагональную грань ВВ нижней призмы 4 под различными
углами i в пределах от нуля до 90°.

Чтобы избежать явления полного внутреннего отражения света на поверхности ВВ, показатель преломления исследуемой жидкости должен быть меньше, чем показатель преломления стекла призмы 4, т.е. меньше, чем 1,540.

Таким образом, с помощью рефрактометра РЛ, в силу его конструктивных особенностей, можно измерять показатель преломления жидкостей в интервале 1,300 — 1,540.

Луч света, угол падения которого равен 90°, называется скользящим.

Скользящий луч, преломляясь на границе жидкость – стекло, пойдет в призме 4 под предельным углом преломления rпр n1, и n2 ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ или КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ или КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕЛОМЛЕНИЯ , — отвлеченное число, характеризующее преломляющую силу прозрачной среды. Показатель преломления обозначается латинской буквой π и определяется как отношение синуса угла падения к синусу угла преломления луча, входящего из пустоты в данную прозрачную среду:

n = sin α/sin β = const или как отношение скорости света в пустоте к скорости света в данной прозрачной среде: n = c/νλ из пустоты в данную прозрачную среду.

Показатель преломления считается мерой оптической плотности среды

Определенный таким образом показатель преломления называется абсолютным показателем преломления, в отличие от относительного т. е. показывает, во сколько раз замедляется скорость распространения света при переходе его показателя преломления, который определяется отношением синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе луча из среды одной плотности в среду другой плотности.

Относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей преломления: n = n2/n1, где n1 и n2 — абсолютные показатели преломления первой и второй среды.

Абсолютный показатель преломления всех тел — твердых, жидких и газообразных — больше единицы и колеблется от 1 до 2, превосходя значение 2 только в редких случаях.

Показатель преломления зависит как от свойств среды, так и от длины волны света и увеличивается с уменьшением длины волны.

Поэтому к букве п приписывают индекс, указывающий, к какой длине волны относится показатель.

Например, для стеклаТФ-1 показатель преломления в красной части спектра составляет nC=1,64210, а в фиолетовой nG’ =1,67298.

Показатели преломления некоторых прозрачных тел

Воздух — 1 ,000292
Вода — 1,334
Эфир — 1 ,358
Спирт этиловый — 1,363
Глицерин — 1, 473
Органическое стекло (плексиглас) — 1 , 49
Бензол — 1,503
(Стекло крон — 1,5163
Пихтовый (канадский), бальзам 1,54
Стекло тяжелый крон — 1 , 61 26
Стекло флинт — 1,6164
Сероуглерод — 1,629
Стекло тяжелый флинт — 1 , 64 75
Монобромнафталин — 1,66
Стекло самый тяжелый флинт — 1 ,92
Алмаз — 2,42

Неодинаковость показателя преломления для разных участков спектра является причиной хроматизма, т, е.

разложения белого света, при прохождении его через преломляющие детали — линзы, призмы и т. д.

Лабораторная работа № 41

Определение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра

Цель работы: определение показателя преломления жидкостей методом полного внутреннего отражения с помощью рефрактометра ИРФ-454Б; исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации.

При преломлении немонохроматического света происходит его разложение на составные цвета в спектр.

Это явление обусловлено зависимостью показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света и называется дисперсией света.

Какие методы определения концентрации веществ в р-ре используют в атомно-абсорбционном анализе?

Этот показатель преломления обозначается nD.

Мерой дисперсии служит средняя дисперсия, определяемая как разность (nF-nC), где nF — показатель преломления вещества на длине волны λ = 486,1 нм (голубая линия в спектре водорода), nC – показатель преломления вещества на λ — 656,3 нм (красная линия в спектре водорода).

Преломление вещества характеризуют величиной относительной дисперсии: В справочниках обычно приводится величина, обратная относительной дисперсии, т. е. — коэффициент дисперсии, или число Аббе.

Установка для определения показателя преломления жидкостей состоит из рефрактометра ИРФ-454Б с пределами измерения показателя; преломления nD в диапазоне от 1,2 до 1,7; исследуемой жидкости, салфетки для протирания поверхностей призм.

Принцип действия прибора ИРФ-454Б основан на явлении полного внутреннего отражения света.

Принципиальная схема прибора показана на рис. 1.

Исследуемая жидкость помещается между двумя гранями призмы 1 и 2. Призма 2 с хорошо отполированной гранью АВ является измерительной, а призма 1 с матовой гранью А1В1 — осветительной. Лучи от источника света падают на грань А1С1, преломляются, падают на матовую поверхность А1В1 и рассеиваются этой поверхностью.

Затем они проходят слой исследуемой жидкости и попадают на поверхность АВ призмы 2.

Рис. 1.

По закону преломления , где и — углы преломления лучей в жидкости и призме соответственно.

При увеличении угла падения угол преломления также увеличивается и достигает максимального значения , когда , т. е. когда луч в жидкости скользит по поверхности АВ. Следовательно, . Таким образом, выходящие из призмы 2 лучи ограничены определенным углом .

Лучи, идущие из жидкости в призму 2 под большими углами претерпевают полное внутреннее отражение на границе раздела АВ и не проходят через призму.

Очевидно, часть призмы, соответствующая не прошедшим лучам будет затемненной. В зрительную трубу 4, расположенную на пути выходящих из призмы лучей, можно наблюдать разделение поля зрения на светлую и темную части.

Поворачивая систему призм 1-2, совмещают границу раздела светлого и темного поля с крестом нитей окуляра зрительной трубы. Система призм 1-2 связана со шкалой, которая отградуирована в значениях показателя преломления.

Шкала расположена в нижней части поля зрения трубы и при совмещении раздела поля зрения с крестом нитей даёт соответствующее значение показателя преломления жидкости .

При пересечении лучом света границы раздела двух прозрачных сред направление луча изменяется, луч преломляется. Это явление носит название рефракции, т. е. преломления света. Угол а, образованный направлением падающего луча света с нормалью (рис. 187), называется углом падения, а угол B, образованный направлением преломленного луча с продолжением этой нормали, - углом преломления. Согласно закону преломления света, для оптически однородных сред отношение синусов углов падения и преломления есть величина постоянная:

Показателем преломления n также называют отношение скорости распространения света в воздухе к скорости распространения света в испытуемом веществе (растворе). Это важная константа, позволяющая уточнить химическую природу вещества, определить степень его чистоты, а также определить концентрацию растворов.

Рефрактометрия - это совокупность методов физико-химического исследования жидкостей, минералов и растворов, основанных на измерении их показателей преломления. Основными достоинствами рефрактометрии являются быстрота, измерений, малый расход вещества и высокая точность (около 0,01 %).

Приборы, служащие для измерения показателя преломления, называются рефрактометрами.

Показатель преломления

Из сравнительно большого числа методов наибольшее распространение получил метод определения показателя преломления по предельному углу преломления или полного внутреннего отражения. Когда луч света падает из среды с показателем преломления n1 в среду с показателем преломления n2, то между углом падения а и углом преломления B существует зависимость:

Пусть луч света падает на границу раздела двух сред I и II (рис. 187), и пусть среда I оптически плотнее среды II. В этом случае угол падения меньше угла преломления. Если угол падения приближается к своему предельному значению 90°, то и. угол преломления может стать равным 90°. В этом случае луч света не входит во вторую среду, а скользит по поверхности раздела фаз. При дальнейшем увеличении угла падения луч отражается от среды II. Это явление называется полным внутренним отражением, а угол падения, при котором оно наступает - предельным углом падения ф. В этом случае уравнение (1) примет вид:

Так как sin 90° = 1, то n1 = n2 sin ф. Если показатель преломления одной среды n2 известен, то достаточно измерить предельный угол ф, чтобы определить показатель преломления анализируемой среды n1.

Важной деталью рефрактометров, основанных на определении предельного угла, является измерительная призма из оптического стекла с точно известным показателем преломления. Поэтому каждый рефрактометр пригоден для измерения показателей преломления только в определенном диапазоне их значений.

При рассматривании вышедших из измерительной призмы лучей, близких к предельному, поле зрения трубы оказывается разделенным на освещенную и темные части, граница между которыми соответствует предельному лучу.

Показатель преломления зависит от длины волны излучения. Лучи разных длин волн преломляются по-разному. Зависимость показателя преломления света в веществе от длины волны света называют дисперсией света или рефракционной дисперсией.

В качестве меры дисперсии принята разность показателей преломления для спектральных линий водорода С (656,3 нм) и F (486,1 нм), охватывающих среднюю часть видимого спектра, называемая средней дисперсией (nF - nC).

Зависимость показателя преломления от температуры

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением числа частиц вещества в единице объема и зависимостью поляризуемости от температуры.

Для большей части жидкостей показатель преломления уменьшается примерно на 0,00015 при увеличении температуры на 1 °С. Поэтому, чтобы можно было делать измерения с точностью до четвертого десятичного знака, жидкие образцы необходимо термостатировать с точностью ±0,2 °С. Показателю преломления придают два индекса: верхний, обозначающий температуру, и нижний - длину волны. Например, nD20 означает, что измерение выполнено при 20 °С и длине волны желтой линии D спектра натрия (589,3 нм).

Зависимость показателя преломления от концентрации

Во многих случаях показатель преломления бинарных растворов линейно изменяется с составом раствора. Зависимость показателя преломления растворов от концентрации устанавливается эмпирически для каждого отдельного вещества, методом построения калибровочной кривой. Готовят серию растворов известных концентраций, измеряют их показатели преломления и строят калибровочный график в координатах концентрация - показатель преломления.

Концентрацию двухкомпонентных растворов можно также вычислить, пользуясь формулой:

где х - концентрация раствора, % (масс.); n - показатель преломления раствора; n0 - показатель преломления растворителя при той же температуре; F - фактор, равный величине прироста показателя преломления при увеличении концентрации на 1 % (устанавливается экспериментально).

Если разница в показателях преломления составляющих раствор компонентов равна примерно 0,1, то точность определения концентрации может составить сотые доли процента.

Рефрактометры

Рефрактометры различаются диапазонами измерения и источниками света. Если для освещения используется белый свет, в состав прибора входят часто также призмы для компенсации различия в длине волны. Благодаря этому можно определять показатель преломления при длине волны желтой линии D спектра натрия, проводя измерения при дневном свете или при свете лампы накаливания.

Из многих типов рефрактометров, предназначаемых для непосредственного измерения показателя преломления жидких и твердых веществ по предельному углу преломления или полного внутреннего отражения, их средней дисперсии и для определения концентрации растворов, рассмотрим как основные два отечественных рефрактометра типа Аббе - рефрактометр УРЛ и рефрактометр ИРФ-22.

Универсальный лабораторный рефрактометр УРЛ. Рефрактометры выпускают трех моделей, предназначенных:

модель I - для измерения показателя преломления в пределах nD = 1,2-1,7, средней дисперсии и концентрации сухих веществ по сахарозе в пределах 0-95%;

модель II - для измерения показателя преломления в пределах. nD = 1,65-2,1 и средней дисперсии;

модель III - для измерения процентного содержания белка в пределах 0-33% и сухого обезжиренного остатка молока (СОМО) в молочных продуктах с высоким (до 38%) содержанием сухого вещества.

Предел допускаемой погрешности измерений по шкале nD + 0,0001, по другим шкалам ±0,1%.

На рис. 188 приведена оптическая схема рефрактометра. Исследуемый раствор помещают между плоскостями двух призм - осветительной 4 и измерительной 5. От источника света 1 конденсорами 2, 3 луч света направляется на входную грань осветительной призмы, затем проходит тонкий слой исследуемого вещества и плоскости измерительной призмы.

Лучи, предельные и преломленные под различными углами и вышедшие затем из измерительной призмы через вторую ее грань, пройдя через призмы дисперсионного компенсатора 6 и преломляющую призму 7, фокусируются объективом 8 зрительной трубы в ее поле зрения, образуя светлую и темную части поля, разделенные прямой границей. Грань осветительной призмы матирована, рассеянный на ней свет переходит в жидкость под всевозможными углами (от 0 до 90°). Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления материала призмы, то лучи преломляются под углами от нуля до предельного. В окуляре зрительной трубы 11 при этом наблюдается граница света и тени, перекрестие сетки 9 и шкала 10. Положение этой границы светотени зависит от величины предельного угла преломления ф, который в свою очередь зависит от показателя преломления испытуемой жидкости. Это дает возможность проградуировать шкалу рефрактометра по показателям преломления или, соответственно, по концентрации раствора.

Отсчет по шкале производится после устранения спектральной окраски границы светотени в положении пересечения границей светотени центра перекрытия сетки.

Конструктивно рефрактометр УРЛ (рис. 189) состоит из двух основных частей: верхней - корпуса 1 и нижней - основания. К корпусу крепятся камеры: верхняя и нижняя. Нижняя камера, заключающая в себе измерительную призму, жестко закреплена на корпусе; верхняя камера, заключающая в себе осветительную призму 6, соединена шарниром с нижней и может поворачиваться относительно нее.

Нижняя и верхняя камеры имеют окна, закрывающиеся пробкой. На штуцере нижней камеры подвижно укреплен осветитель 4, свет от которого может быть направлен в одно из окон камеры. Каждая камера оборудована двумя штуцерами для подвода и вывода термостатирующей жидкости (воды). При помощи резиновых трубок штуцеры соединяются с каналами, расположенными внутри камер.

Для контроля температуры измеряемого вещества служит термометр 5, укрепленный на штуцере нижней камеры с помощью накидной гайки. Со стороны передней крышки корпуса видна шкала рефрактометра.

На оси прибора укреплены окуляр 2 для наблюдения границы светотени и рукоятка для совмещения ее с перекрестием сетки; лимб дисперсии 3 для устранения окрашенности наблюдаемой в окуляр границы светотени; механизм наведения (находится внутри корпуса), который вместе с рукояткой может поворачиваться вдоль шкалы.

На корпусе имеется закрытое пробкой отверстие для ввода ключа и установки нулевой точки.

Внутри основания расположены понижающий трансформатор, предохранитель и весь электрический монтаж. На передней стенке основания находится выключатель осветителя, а на боковой стенке - шнур с вилкой для подвода питания от сети.

Подготовка к измерению. Рефрактометр устанавливают в удобное для измерений положение, укрепляют термометр и присоединяют камеру к термостатирующей установке так, чтобы вода поступала в верхнюю часть камеры и выходила из штуцера, в котором установлен термометр. Температуру в камере поддерживают на уровне 20 ±0,1 °С. При этой температуре проверяют и устанавливают правильность нулевой точки.

В моделях I и III нулевую точку устанавливают по дистиллированной воде. Для этого верхнюю камеру открывают, промывают дистиллированной водой или спиртом поверхности измерительной и осветительной призм и насухо вытирают их салфеткой или ватой. Затем оплавленным концом стеклянной палочки наносят на плоскость измерительной призмы 1-2 капли дистиллированной воды. Закрывают верхнюю камеру и, смещая осветитель, направляют луч света в окно верхней камеры. Затем, перемещая рукоятку с окуляром вдоль шкалы вверх и вниз, вводят в поле зрения границу светотени.

Резкость границы светотени, штрихов шкалы и перекрестия сетки по глазу наблюдателя устанавливают вращением гайки окуляра; окрашенность границы светотени устраняют вращением рукоятки дисперсионного компенсатора.

Границу светотени подводят к центру перекрестия сетки. При этом граница светотени должна находиться на делении 1,3329 шкалы nD и 0% шкалы сухих веществ. Если граница светотени не совпадает со значениями, приведенными выше, то установку нулевой точки производят следующим образом: центр перекрестия устанавливают по шкале на деление нулевой точки, откручивают гайку на корпусе прибора и вращением ключа, прилагаемого к прибору, подводят границу светотени к центру перекрестия сетки, т. е. к нужному делению шкалы. Установку нулевой точки проверяют 2-3 раза путем смещения рукояткой границы светотени и вновь подводят ее к перекрестию сетки.

Проверка и установка нулевой точки в модели II производится при помощи контрольной призмы, прилагаемой к прибору, следующим образом: на большую полированную грань призмы наносят 2-3 капли иммерсионной жидкости (монобромнафталина; nD = 1,66) и этой гранью ее устанавливают на измерительную призму камеры так, чтобы малая полированная грань была обращена к осветителю и чтобы жидкость распространялась равномерно по толщине слоя. После установки призмы верхнюю часть камеры закрывают до упора на пружину. Затем перемещают осветитель и одновременно наблюдают в окуляр за границей светотени к центру перекрестия сетки; если при этом граница светотени пройдет через деление шкалы, соответствующее показателю преломления контрольной призмы, то нулевая точка установлена правильно.

Измерение показателя преломления прозрачных жидкостей и растворов производят аналогично измерению показателя преломления дистиллированной воды при установке нулевой точки. Показатель преломления невязких растворов измеряют на моделях I и II как в проходящем свете (свет направляется в окно верхней камеры), так и в отраженном (свет направляется в окно нижней камеры). Направление света определяется опытным путем.

Для работы в проходящем свете при исследовании темных растворов модель I снабжена красным светофильтром, который надевают на осветитель взамен диафрагмы. Для измерения вязких темных растворов в модели I предусмотрена призма, на гипотенузную (входную) грань которой наносят исследуемый раствор. Этой гранью призму устанавливают на измерительную призму прибора таким образом, чтобы большая полированная грань была обращена к осветителю. Верхнюю камеру закрывают, осветитель и окуляр устанавливают в нужное положение и производят отсчет.

Измерение показателя преломления твердых тел можно производить на моделях I и II. Методика измерения аналогична измерению показателя преломления с помощью контрольной призмы при установке нулевой точки. Исследуемый образец должен быть оптически однородным. Конфигурация его может быть любой при условии наличия двух взаимно перпендикулярных полированных плоскостей, из которых одна должна быть равна по своим размерам входной грани измерительной призмы; толщина образцов должна быть не менее 0,15 мм.

Для веществ, показатель преломления которых не превышает 1,65, в качестве иммерсионной жидкости применяют монобромнафталин (nD20 = 1,66), а для имеющих высокие показатели преломления - иммерсионную жидкость nD20 = 1,939, прилагаемую к прибору. Эта иммерсионная жидкость ядовита, и обращаться с ней следует осторожно.

Рефрактометр ИРФ-22. Конструктивные особенности рефрактометра ИРФ-22 делают производство измерений удобным и менее утомительным.

Скрытая в корпусе прибора и вращающаяся вместе с призменным блоком стеклянная шкала подсвечивается зеркалом и проектируется специальной оптической системой в поле зрения трубы. Таким образом в поле зрения трубы видны одновременно граничная линия, крест, деления шкалы и визирный штрих шкалы (рис. 190). Целые, десятые, сотые и тысячные доли значения показателя преломления отсчитывают по шкале, а десятичные - на глаз, с точностью до 0,0002.

Пределы измерений, возможности применения, техника работы и правила обращения для рефрактометра ИРФ-22 совершенно такие же, как у описанного выше рефрактометра УРЛ.

Читайте также: