Лабораторная работа № 8 определение показателя преломления жидкости с помощью рефрактометра

Цель работы:

1. Ознакомиться с принципом работы рефрактометра.

2. Исследовать зависимость показателя преломления раствора от его концентрации.

3. Определить концентрацию неизвестного раствора.

Оборудование:

рефрактометр, набор растворов различной концентрации, пипетка.

Значение метода

Основные направления использования рефракции света в медико-биологических исследованиях в медицине:

• Выполнение количественных измерений показателя преломления исследуемых веществ – рефрактометрия: рефрактометр применяется для быстрого определения концентрации водных, спиртовых, эфирных и других растворов по показателю преломления (в медицине эти приборы используются для определения общего количества белка в крови и его отдельных фракций при анализе желудочного сока, мочи и др. веществ);

• Передача световых потоков с помощью волоконных световодов к пациенту;

• Освещение труднодоступных участков при выполнении манипуляций (например, при интубировании больных для осуществления искусственного дыхания во время операции);

• Внутрисосудистое облучение крови лазерным светом при лечении больных с инфарктом миокарда, внутрилегочное облучение ультрафиолетом при лечении туберкулеза;

• Передача изображения внутренних органов (волоконная эндоскопия): при визуальной диагностике состояния тканей внутренних органов путем введения эндоскопа (фиброгастроскопия); через кожный разрез (лапароскопия); при взятии биопсийного материала на выбранных участках; при проведении лечения лазерным облучением определенных участков внутренних органов.

Теоретическая часть

Световая волна, достигая поверхности раздела двух сред, возбуждает в атомах, ионах, молекулах вещества вынужденные колебания электронов с частотой, равной частоте приходящей волны, эти колебания когерентны как между собой, так и с падающей волной. В результате наложения первичной и вторичной волн (рис. 1) образуется отраженная волна Ф_отри преломленная волна Ф_пр, распространяющаяся во второй среде. Явление преломления света называется рефракцией.

Преломление луча света при переходе из одной среды в другую обусловлено изменением скорости световой волны. Скорость света будет максимальной в условиях вакуума (υ_max=с=300000 км/с).

Чем выше плотность среды, тем меньше скорость света в ней. Абсолютный показатель преломлениясредыn_абспоказывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем скорость света в данной среде.

ПРИНЦИП РАБОТЫ РЕФРАКТОМЕТРА

Для определения оптической плотности веществ используют рефрактометр. Основным элементом прибора являются две прямоугольные стеклянные призмы (n= 1,7), расположенные основаниями друг к другу на расстоянии 0,1 мм (рис. 4). Пространство между призмами заполняется исследуемой жидкостью.

Рис. 4. Ход лучей в рефрактометре в проходящем (а) и отраженном (б) свете.

Призма АВС называется осветительной, а призма DEF– измерительной. Измерения могут быть выполнены как в проходящем, так и в отраженном свете. В первом случае в приборе реализуется ход лучей, указанный ранее на рис. 2б. Лучи от источника света падают (рис. 4а) на грань АВ призмы АВС, преломляются и попадают на матовую поверхность АС, на которой происходит диффузное рассеяние светового потока. Вследствие этого лучи войдут в жидкость и достигнут граниDEпод различными углами (от 0 до 90⁰). Преломляясь на граниDE, лучи внутри призмыDEFпроходят только по направлениям, лежащим внутри предельного угла β_пр. На граниEFэти лучи преломляются и выходят под некоторым углом β в зрительную трубу Т. Объектив зрительной трубы фокусирует параллельные лучи, идущие от различных точек предмета граниEFпод разными углами. Поэтому, если ось зрительной трубы установлена по направлению лучей, ограничивающих предельный угол преломления, то поле зрения в фокальной плоскости объектива разделяется на светлую и темную области.

При исследовании показателя преломления в отраженном свете в рефрактометре создается ход лучей, указанный ранее на рис. 3б Лучи от источника света направляют (рис. 4б) на матовую поверхность DFпризмы. В результате диффузного рассеяния лучи входят в призмуDEFпод разными углами (от 0 до 90⁰). Так как лучи, достигшие граниDE, переходят из оптически более плотной среды (стекло) в оптически менее плотную (жидкость), то лучи, у которых угол падения больше предельного, претерпят полное отражение. Лучи, направление которых соответствует величине предельного угла полного отражения, и определяют границу света и тени. В этом случае выполняется условие:

Таким образом, в обоих случаях (уравнения (9), (11)) между показателями преломления жидкости и величиной предельного угла имеется строгое соответствие. Положение границы раздела света и тени определяется величиной предельного угла, а, следовательно, и величиной показателя преломления жидкости. Поэтому в поле зрения зрительной трубы на шкале рефрактометра нанесены не значения угла, а значения показателя преломления. Показатели преломления прозрачных жидкостей удобно определять в проходящем свете, а интенсивно окрашенных или мутных жидкостей – в отраженном свете.

Отметим, что при прохождении света на границе различных сред наблюдается разложение белого света на монохроматические волны. Это явление называется дисперсией света и обусловлено зависимостью показателя преломления вещества от частоты (длины) световой волны. В результате граница между освещенной и темной частями поля зрения будет спектрально окрашенной. Для получения резкой границы света и тени в рефрактометре применяется компенсатор дисперсии, представляющий собой призму, выделяющую только желтые лучи, соответствующие середине видимого спектрального диапазона.

Так как показатель преломления жидкости зависит от концентрации растворенного вещества, то, построив калибровочный график, можно по известному показателю преломления определить неизвестную концентрацию раствора данного вещества.