8.5.2 Факторы, влияющие на величину показателя преломления света.

Свет, проходя через вещество, испытывает определенное сопротивление среды, что выражается в изменении его скорости и проявляется как эффект преломления лучей. В зависимости от свойств среды, этот эффект может быть как слабым, так и достаточно заметным. К факторам, влияние которых на величину n необходимо учитывать, относятся:

• температура;

• концентрация вещества;

• длина волны излучения;

• наличие поглощающих и рассеивающих частиц;

• фазовый состав (структурные особенности и химический состав).

При анализе воздействия конкретных факторов на величину показателя преломления будем рассматривать его взаимосвязь с плотностью среды.

Температура среды.

При нагревании практически все тела расширяются, а следовательно увеличивается их объем и возрастают межмолекулярные расстояния, тогда как межмолекулярное взаимодействие ослабевает. Это приводит к уменьшению плотности среды и увеличению скорости света в ней. Следовательно, учитывая формулу (8.22), значение показателя преломления с ростом температуры будет убывать. Для водных растворов при нагреве от 4-х до 100 эта зависимость имеет вид:

(8.24)

где и - показатели преломления воды при заданной температуре t и при 20 , t – температура среды в ( ).

Концентрация вещества.

С ростом концентрации вещества значение показателя преломления уменьшаются. Эта закономерность следует из взаимосвязи плотности среды и концентрации как числа единиц вещества в единичном объеме. Чем больше концентрация, тем выше плотность среды, тем ниже скорость распространения света в ней. Эта закономерность больше характерна для конденсированных сред, таких как растворы, расплавы или твердые вещества. Для газов эффект выражен значительно слабее, так как молекулы вещества достаточно далеко удалены друг от друга. Так абсолютный показатель преломления воздуха = 1,00027, т.е. практически близок к единице в широком температурном и концентрационном интервале. Это позволяет выполнять многие аналитические определения в обычных условиях, а при обработке результатов – не учитывать погрешность, вносимую воздухом из-за ее малости.

Длина волны излучения.

Как известно, в зависимости от энергии меняется цвет воспринимаемого излучения, а значит и значение длины волны. Так как длина волны определяется скоростью распространения излучения в вакууме, то и значение показателя преломления также будет меняться в зависимости от излучения. При прочих равных условиях наиболее сильно преломляются синие лучи, а наименее – красные. Этот факт объясняет расположение цветов в спектре при прохождении луча через призму (рисунок 8.37). Зависимость показателя преломления света для данного вещества от длины волны характеризуется дисперсией света . Под дисперсией света понимают разность показателей преломления синего ( =) и красного лучей ( =).

= (8.25)

Дисперсия света характеризует преломляющие свойства вещества и является табличным значением.

Рисунок 8.37 Разложение в спектр белого света при прохождении его через

преломляющую призму

Наличие поглощающих и рассеивающих частиц.

Любое вещество, обладающее выраженной окраской (цветом), имеет сильное избирательным поглощением. Поэтому, при прохождении белого света через такую среду, наряду с преломлением луча, будет меняться и его цветность. Следовательно характеристики падающего и преломленного лучей будут существенно отличаться, а значение n не будет верным.

Если вещество характерно окрашено, то измерение показателя преломления следует выполнять на монохроматическом излучении того же цвета, что и среда. Это позволит исключить поглощение части исходного излучения самим веществом. Для аналитических целей интенсивно окрашенные растворы с сильным избирательным поглощением не используют из-за высокой погрешности определения. Наличие рассеивающих частиц практически не сказывается на точности показателя преломления, если размеры их больше длины волны излучения. Так как измерение показателя преломления проводят в очень тонком слое, то для большинства даже мутных сред эффектом рассеивания можно пренебречь. Для очень мелких частиц, какие образуются в коллоидах металлов, рассеяние света подчиняется закону Рэлея и зависит от длины волны. В этом случае показатель преломления подчас измеряется с существенной погрешностью.

Фазовый состав.

Под фазовым составом в химии понимают различие как в структуре, так и в химическом составе веществ. Показатели преломления оптических изомеров несколько отличаются, что позволяет определять их соотношение по градуировочным характеристикам, полученным путем замера стандартных серий специально приготовленных растворов. Аналогично выполняют определение состава 3-х фазных систем. Для этого используют несколько измеряемых параметров, таких как температура, пикнометрическая плотность раствора и его показатель преломления. По эмпирическим формулам рассчитывают коэффициенты, позволяющие по номограмме системы найти искомый состав. Например, таким способом можно определять соотношение компонентов в тройной системе вода – этанол – сахароза. На рисунке 8.38 приведен вид номограммы, применяемой для этих целей.

Рисунок 8.38 Вид номограммы для расчета состава тройной системы:

вода – этанол – сахароза.

8.5.3 Устройство и принцип работы рефрактометра.

На практике применяют несколько видов рефрактометров: от самых простых до более сложных, снабженных световыми и поляризационными светофильтрами. Вид одного из таких устройств показан на рисунке 8.39. Некоторые рефрактометры снабжены 2-мя шкалами, проградуированными не только в единицах показателя преломления, но и в белковых числах.

Рисунок 8.39 Внешний вид рефрактометра марки ИРФ-22.

А и Б – измерительные призмы внутри измерительной головки

1 – разъемные полушария термостатируемой измерительной головки;

2 – маховик поворота измерительной головки; 4 – осветительное зеркало;

5 – зеркало подсветки шкалы; 6 – окошко шкалы; 7 – зрительная труба (тубус);

8 – окуляр; 9 – маховик для компенсации рефракции; 10 – термометр.

Работа рефрактометра базируется на измерении предельного угла преломления на границе призма – слой жидкости (рисунок 8.40). В этом случае свет, пройдя через верхнюю призму (2), попадает в слой жидкости под критическим углом и скользит вдоль поверхности второй призмы (3). В окуляре (7) проецируется изображение обоих призм в виде 2-х полей: светлого (освещенная призма) и темного (не освещенная призма). При качественной настройке в перекрестье визира или просто в окуляре видна четкая граница 2-х полей: светлого и темного.

Рисунок 8.40 Схематическое устройство рефрактометра с призмой Амичи.

1 – источник света; 2 и 3 – измерительные призмы, между которыми находится тонкий слой измеряемой жидкости; 4 – фокусирующее устройство; 5 – призма Амичи для компенсации дихроизма; 6 – шкала в единицах преломления; 7 – вид поля в окуляре рефрактометра при его правильной настройке.