Жидкости от концентрации

Методические указания к лабораторной работе

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

ЖИДКОСТИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ

Дисциплина «Физика»

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ

Инженер по охране труда ст. преподаватель кафедры ОНД

_____________Г. В. Мангуткина ______________В.Г. Прачкин

____________________2011 ___________________2011

Салават 2011

Методические указания предназначены для специальностей 140400 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», 241000 «Машины и аппараты химических производств», 240100 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», 230100 «Автоматизированное управление бизнес процессами и финансами», всех форм обучения.

Рассмотрено на заседании кафедры ОНД

Протокол №__________ от_____________2011

© Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

ЖИДКОСТИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ

Цель работы: научиться пользоваться рефрактометром. Изучить факторы, влияющие на показатель преломления. Определить показатель преломления неизвестного раствора.

Приборы и принадлежности: рефрактометр РДУ, источник света – настольная лампа, растворы различной концентрации.

1. Введение

Взаимодействие света с веществом проявляется в таких явлениях как отражение, поглощение, преломление и дисперсия света. При падении на границу двух диэлектриков световая волна частично отражается, частично преломляется. Из законов геометрической оптики следует, что отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью восстановленной в точке падения. Угол отражения b (рисунок 1) равен углу падения a (закон отражения); отношение синуса угла падения к синусу угла преломления g есть величина постоянная для данных веществ и называется относительным показателем преломления второго вещества по отношению к первому (закон преломления):

. (1)

a b

g

Рисунок 1 – Отраженный и преломленный лучи

Если первая среда – вакуум, то отношение, аналогичное (1), называется абсолютным показателем преломления n₂ второй среды. Можно показать, что

. (2)

Показатель преломления определяется отношением фазовых скоростей света в соответствующих средах:

. (3)

. (4)

Из уравнений Максвелла следует, что скорость электромагнитной волны в среде зависит от ее электрических и магнитных свойств:

, (5)

где e и m- соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

Для немагнитных материалов m близка к единице. Поэтому на основании (4) и (5) можно считать

. (6)

Из закона преломления (1) следует, что при переходе света из вещества с большим показателем преломления (оптически более плотного) в вещество с меньшим показателем преломления (оптически менее плотного) луч удаляется от нормали к поверхности раздела сред (рисунок 2, толщина линий, изображающих лучи, соответствует их интенсивности). В этом случае, очевидно, существует такой угол падения

, (7)

при котором угол преломления g равен (рисунок 2,в)

a b g а

a b g б

Рисунок 2

Такой угол называется предельным углом. При углах падения, заключенных между a_пред и , свет полностью отражается от второй среды. Это явление называется полным внутренним отражением.

Дисперсией света называется зависимость оптических характеристик вещества от частоты v или длины волны l падающего света. В частности, дисперсия показателя преломления n выражается зависимостью n=f (l)

Дисперсия света называется нормальной, если показатель преломления монотонно убывает по мере роста длины волны: (рис.3, участки 1-2 и 3-4). Вблизи полос поглощения наблюдается иная зависимость показателя преломления от длины волны падающего света: (рис.3, участок 2-3). Пунктирной линией показана зависимость интенсивности поглощения от длины волны. Такая дисперсия называется аномальной.

l_{0 рез} l₀

Рисунок 3 – Дисперсия света

Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны по мере проникновения в глубь вещества, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества.

Опыт показывает, что интенсивность света, поглощенного веществом, пропорционального толщине dl элементарного слоя и интенсивности J падающего света:

-dJ= к J dl, (8)

где к – линейный коэффициент поглощения.

Из (8) легко получить закон Бугера-Ламберта

J=J₀e^-kl, (9)

где J – интенсивность света, прошедшего через слой;

J₀ – интенсивность падающего света;

l – толщина слоя прозрачного диэлектрика.

При l= , следовательно, физический смысл коэффициента поглощения заключается в том, что при толщине слоя, обратной k, интенсивность света ослабляется в е раз.

Коэффициент поглощения зависит от природы среды и от длины волны света. У одноатомных газов и паров (при не очень высоком давлении) коэффициент поглощения резко возрастает в определенных узких спектральных областях, т.е. спектр поглощения у них линейчатый (рис.4а). Газы с многоатомными молекулами проявляют полосатый спектр поглощения. Жидкие и твердые диэлектрики дают сплошные широкие спектры поглощения (рис.4б).

а) б)

l l

l

Рисунок 4 – Спектры поглощения

Для разбавления растворов веществ в не поглощающем растворителе соблюдается закон Бера

k=a×c, (10)

где с – концентрация раствора;

a - коэффициент пропорциональности.

Для объяснения явлений поглощения, преломления и дисперсии света необходимо рассмотреть механизм взаимодействия света с веществом.

В электромагнитном поле на микроскопические заряды действует переменная сила Лоренца (причем вторым слагаемым во многих случаях можно пренебречь):

F(t)=q E(t)+q v B(t), (11)

где Е и В – напряженности электрического и магнитного полей;

v – скорость заряженной частицы.

Под действием этой силы электроны и ионы вещества совершают вынужденные гармонические колебания (осциллируют) с частотой w падающей волны, излучая при этом вторичные волны этой же частоты. Процесс непрерывного поглощения и переизлучения энергии электромагнитного поля осциллирующими диполями и представляет собой распространение света в диэлектрике. Часть энергии возбужденных диполей передается тепловому движению частиц вещества, результатом чего является поглощение им света.

Смещение от положения равновесия электронных оболочек в неполярных молекулах и ионов в ионных структурах приводит к поляризации диэлектрика. Амплитуда указанных колебаний резонансным образом зависит от частоты падающей световой волны. Когда частота света намного меньше любой из собственных частот электронных и ионных осцилляторов, поляризованность Р(t) диэлектрика линейно зависит от напряженности электрического поля:

Р(t)=e₀ Е(t), (12)

где e₀ – электрическая постоянная;

c - диэлектрическая восприимчивость вещества.

При приближении частоты волны w к одной из собственных частот w₀ (или полосы частот) осцилляторов резко возрастает амплитуда А колебаний и, следовательно, дипольные моменты r_а атомов и молекул:

(без учета потерь на затухание), (13)

где m – масса осциллятора;

F – вынуждающая сила (сила Лоренца).

, (14)

где q – заряд диполя.

Как известно из электростатики, поляризованность Р неполярного диэлектрика пропорциональна дипольному моменту атомов и молекул:

Р=n₀ Р_а, (15)

где n₀- число атомов в единице объема.

Из формул (12)-(15) вытекает, диэлектрическая проницаемость (e=1+c) и, следовательно, показатель преломления (n= ) в указанном диапазоне частот являются функциями частоты падающей волны:

e=f(w), n²=f(w).

В области частот видимого излучения определяющую роль играют электронные осцилляторы. На основании вышеизложенных рассуждений зависимость n² от w может быть представлена в виде

, (16)

где е – элементарный заряд;

m_е – масса электрона;

w_0g - одна из собственных частот внешних электронов.

Примечание. По квантовой теории электроны в атомах имеют несколько собственных частот.

График функции (16) изображен на рис.5 пунктиром. Учет затухания электромагнитной волны приводит к зависимости n²=f(w), изображенной на этом же рисунке сплошной линией.

При частотах, близких к резонансным (w_о), резко возрастает амплитуда колебаний осцилляторов, а следовательно, и поглощение света.

Последовательность собственных частот электронов в атомах и атомов в молекулах вещества может быть дискретной или непрерывной в относительно узком или широком диапазоне. В первом случае спектры поглощения называются линейчатыми, во втором – полосатыми или сплошным.

n²

w₀₁ w₀₂ w

Рисунок 5 – График зависимости n² от w