радиометрия

В.Т. КАЗУБ, Н.Н. СЕМЁНОВА,

С.В. ВОРОНИНА, Р.А. ВОДОЛАЖЕНКО

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

2

3

Государственноебюджетноеобразовательное учреждение

высшего профессионального образования

Пятигорская государственная фармацевтическая академия

КАФЕДРА ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ

В.Т. Казуб, Н.Н. Семёнова, С.В. Воронина, Р. А. Водолаженко

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

Методические указания к лабораторным занятиям

по физике для студентов очного отделения

Пятигорск 2011

4

УДК 543.452 (078) ББК 22.3 я 73

К 14

Рецензент: к. ф.-м. н., доцент кафедры информатики и математики ГОУ ВПО Пятигорского филиала Российского государственного торгово-экономического университета Болгова Ю. А.

В.Т. Казуб, Н.Н. Семёнова, С.В. Воронина, Р. А. Водолаженко.

К 14 Рефрактометрия: методические указания к лабораторным занятиям по физике для студентов очного отделения/ В.Т. Казуб [и др.] - Пятигорск: Пятигорская ГФА, 2011. – 39 с.

Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой по физике для студентов фармацевтических вузов и содержит теоретический материал по теме «Рефрактометрия», раздел, посвященный практическому использованию этого явления в науке и технике, а также описание некоторых моделей рефрактометров и практические задания к лабораторным работам.

Методические указания содержат список рекомендованной литературы.

УДК 543.452 (078) ББК 22.3 я73

Допущено к внутривузовскому изданию Председатель ЭМС Проф. В.В. Гацан

Протокол № 333 от 9 сентября 2011 г.

© Пятигорская государственная фармацевтическая академия, 2011

5

Теоретическая часть

Рефрактометрия широко распространена в самых различных областях химии, в фармацевтическом, биохимическом анализе, анализе пищевых про-

дуктов и т.д. Основное преимущество рефрактометрического метода - показа-

тель преломления можно измерить с очень высокой точностью, небольшой за-

тратой времени, располагая малым количеством вещества.

Основу геометрической оптики составляют четыре закона оптических яв-

лений:

1.Закон прямолинейного распространения света гласит, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно.

2.Закон независимости световых лучей, заключающийся в том, что при пе-

ресечении световые лучи не возмущают друг друга.

3.Закон отражения света.

4.Закон преломления света.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также пер-

пендикуляр (нормаль) к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отра-

жения β равен углу падения α(рис. 1).

Рис. 1. Отражение светового луча от границы раздела

При прохождении света через границу раздела двух прозрачных сред па-

дающий луч разделяется на два – отражённый и преломлённый, рис. 2.

6

Рис. 2. Прохождение света через границу раздела двух прозрачных сред.- угол падения, - угол отражения, - угол преломления.

Закон преломления формулируется следующим образом: преломлённый луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных веществ:

sin

sin n21 ,

Величина n21 называется относительным показателем преломления второ-

го вещества по отношению к первому. Если через n12 обозначить относитель-

ный показатель преломления первого вещества относительно второго, то легко показать, что

1

n12 n21 .

Отсюда вытекает закон обратимости (или взаимности) световых лучей:

если навстречу лучу, претерпевшему ряд отражений и преломлений, пустить другой луч, то он пойдёт по тому же пути, что и первый луч, но в обратном порядке.

Показатель преломления вещества по отношению к пустоте называется

абсолютным показателем преломления (или просто показателем преломления)

данного вещества. Вещество с большим показателем преломления называется

оптически более плотным.

7

Относительный показатель преломления двух веществ равен отношению

их абсолютных показателей преломления:

n21 n2 .

n1

Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2 . Тогда, с учетом этого, закон преломления звучит: падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным в точке падения; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде и может быть записан:

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсо-

лютным показателем преломления. Абсолютный показатель преломления равен

отношению скорости света в вакууме с (с 3 108м/с) к скорости света υ в среде:

n=c/υ. Показатель преломления величина безразмерная. Абсолютный показа-

тель преломления вакуума равен 1. В геометрической оптике показатель пре-

ломления воздуха принимают равным единице, а его точное значение

n=1,000274 (при нормальном давлении и температуре 20 С), для дистиллиро-

ванной воды—1,333.

Средý с меньшим абсолютным показателем преломления называют опти-

чески менее плотной.

Из закона обратимости хода световых лучей видно, что при переходе све-

та из оптически более плотной среды в оптически менее плотную луч удаляется

от нормали к поверхности (рис. 3, а). Увеличение угла падения сопровождает-

ся более быстрым ростом угла преломления . По достижению углом значе-

ния 900 световой пучок перестаёт распространяться в веществе 1 и сохраняется

только отражённый луч (рис. 3, б). Вся энергия падающего светового пучка пе-

8

редаётся отражённому. Явление носит название полного внутреннего отраже-

ния или рефракции. Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение называется предельным углом.

Рис. 3. Переход светового пучка из вещества оптически более плотного в оптически менее плотное

Последняя зависимость лежит в основе работы прибора, называемого

рефрактометр. В этом приборе измеряется предельный угол αпред, но шкала уже проградуирована в долях относительного показателя преломления изучае-

мого вещества относительно вакуума.

В последнее время явление полного отражения нашло оригинальное тех-

ническое применение. Речь идет о волоконной оптике, сущность которой со-

стоит в следующем. Стеклянная нить покрывается слоем оптически менее плотного вещества. Луч света, падающий на торец такой нити, проходит через всю нить (испытывая многократные полные отражения от ее боковой поверх-

ности) и выходит через другой ее торец независимо от того, каким образом изо-

гнута нить (рис. 4). Жгут, составленный из множества таких нитей, образует светопровод, позволяющий как угодно искривлять путь светового пучка. Если перед торцом светопровода поместить освещенный объект, то на другом торце светопровода проявится точное его изображение. Причем сам светопровод мо-

9

жет быть произвольным образом изогнут, даже завязан в узел. Светопроводы используются для изготовления гибких перископов (зондов), с помощью кото-

рых можно рассматривать объекты и выполнять манипуляции (при выполнении лапароскопических операций), недоступные непосредственному наблюдению

(например, внутренней поверхности цилиндра автомобильного двигателя,

внутренности желудка, кишечника и т. п.).

Рис. 4. Распространение света в стекловолокне Во многих оптических приборах (поляриметр, рефрактометр, спектрометр и

др.) для преломления света используются стеклянные призмы. На рис. 5 показан ход луча монохроматического света в призме. После двукратного преломления

(на левой и на правой гранях призмы) луч оказывается отклоненным от перво-

начального направления на угол , называемый углом отклонения. Угол , за-

ключенный между

Рис. 5. Преломление света в трехгранной призме преломляющими гранями, носит название преломляющего угла призмы. Угол от-

клонения зависит от преломляющего угла и показателя преломления приз-

мы п. Эта зависимость легко устанавливается для призмы с малым преломляю-

10

щим углом (тонкой призмы) в случаях малого угла падения . Связь между преломляющим углом призмы и углом отклонения выражается соотношением

(n 1) .

Дисперсия света

Значение показателя преломления среды определяется в основном свойст-

вами этой среды; однако в некоторой мере оно зависит еще от длины волны

(или от частоты) света, так как световые волны различной длины распространя-

ются в данной среде с различной скоростью. Поэтому одна и та же среда по-

разному преломляет различные монохроматические лучи.

Зависимость показателя преломления среды от длины волны света носит название дисперсии света. В более широком смысле дисперсией света называют разложение света в спектр, происходящее при его преломлении, интерференции или дифракции.

Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрас-

тает с уменьшением длины световой волны. В противном случае дисперсия на-

зывается аномальной. Бесцветные прозрачные среды (т. е. среды, слабо погло-

щающие свет) обладают нормальной дисперсией; они наиболее сильно прелом-

ляют фиолетовые (коротковолновые) лучи. У окрашенных сред может иметь место аномальная дисперсия.

Благодаря дисперсии луч белого света, проходящий через преломляющую среду, оказывается разложенным на различные монохроматические лучи. По-

падая на экран, эти лучи образуют дисперсионный спектр — совокупность раз-

ноцветных полос. Наиболее отчетливо дисперсионный спектр обнаруживается при преломлении света в веществе, имеющем клинообразную форму, например в призме. На рис. 6 показан случай дисперсии света в стеклянной призме. Так как стекло обладает нормальной дисперсией, то угол отклонения для фиолето-

вого луча (δф) больше, чем для красного (δк).