ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

И ДИСПЕРСИИ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ СРЕД

Выполнил студент -------------------------, группа -------------, дата -------.

Допуск ______________

Выполнение __________

Зачет ________________

Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы рефрактометра УРЛ-1 и определение с его помощью показателей преломления твердых и жидких сред.

Приборы и материалы

№ п\п	Наименование прибора	Класс точности	Цена деления	Предел измерения	Точность отсчета
	Рефрактометр УРЛ-1	–

Теоретические сведения

/1. Основные понятия и законы

При переходе из одной оптически прозрачной среды в другую свет испытывает преломление, направление распространения света меняется. Количественно это явление описывается законом Декарта-Снеллиуса (1637 г.).

(1)

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред. Эта постоянная называется относительнымпоказателем преломления (второй среды относительно первой). Если первой средой будет вакуум, то показатель преломления называется абсолютным. Можно видеть, что относительный показатель преломления:

равен отношению абсолютных показателей второго вещества к первому. Обычно в таблицах показателей преломления веществ даются абсолютные показатели. Для воздуха он равен практически единице. Поэтому в тех случаях, когда вещество находится в воздухе, закон (1) можно записать не указывая индексы в правой части:

,(2)

где – показатель преломления вещества, указанный в таблицах. Закон Снеллиуса также может быть описан с точки зрения волновой теории Френеля–Гюйгенса: каждая точка поверхности раздела, как только в нее пришло периодическое возмущение падающей волной, становится источником вторичных сферических волн, огибающая которых во второй среде образует преломленный луч, имеющий другой угол к нормали. Вторичные волны в первой среде образуют отраженную волну, для которой угол падения равен углу отражения.

Показатель преломления определяется как отношение скорости электромагнитного излучения в вакууме к скорости электромагнитного излучения в среде: , и является важнейшей ее характеристикой, вот почему вопросу определения показателя преломления сред уделяются столь большое внимание.

В первые десятилетия после открытия закона считали это отношение постоянным. Но в 1665 г. Ньютон в своих известных опытах со стеклянной призмой (они описаны в "Оптике" Ньютона, 1704) расширил понятие показателя преломления, открыв явление, названное им дисперсией света. При пропускании пучка белого света через стеклянную призму на экране наблюдалось растянутое цветное изображение отверстия, через которое проходил белый свет (рис.1).

Вверху наблюдалась красная окраска, внизу – фиолетовая. Между ними располагались прочие цвета радуги. Таким образом, дисперсия света – это явление спектрального разложения света, происходящее вследствие того, что скорость света в веществе зависит от длины волны (частоты).

Дисперсия света означает, что показатель преломления вещества не постоянен, а зависит от длины волны:

(3)

Характер зависимости в веществе, конкретный вид этой функции, определяется структурой вещества. Поэтому общий вид этой функции неизвестен. Принято для каждого вещества, например, для стекла определенного сорта, задавать функцию либо в виде таблицы для известных длин волн (см. табл. 1), либо в виде графика (рис.2).

Таблица 1.

Марка стекла	Длина волны лазера (нм).
			568,2	632,8	694,3
ЛК6 (крон)	1,47521	1,47371	1,47290	1,47121	1,47897	1,46732	1,46371	1,46146
ТФ5(флинт)	1,77426	1,76802	1,76470	1,75806	1,74971	1,74397	1,73299	1,72765

В сущности, функция таблично задается только в определенных точках. В промежутках же считают, что кривая идет плавно, но это предположение справедливо лишь в отсутствии поглощения. В качестве так называемого основного значения показателя преломления вещества, если дисперсия не интересует или она мала, в таблицах приводится значение (показатель преломления в желтом свете натриевой лампы), или указывается конкретное значение показателя преломления.

Длину волны света , при которой произведены измерения показателя преломления, указывают в виде подстрочного индекса .Показатель преломления в желтом свете натриевой лампы обозначают , в красном , зелено -голубом и в синем свете водородной лампы обозначают, соответственно, , и .

Разницу результатов измерений называют рефракционной дисперсией или просто дисперсией.

Практически как меру дисперсии, то есть растяжения спектра, вводят величину средней дисперсии и относительной дисперсии:

и . (4)

Сведения о дисперсии Δ_FC являются особенно важными для научных и технологических исследований оптического стекла, нефтепродуктов, продуктов переработки растительных масел и др.

Самым важным оптическим материалом является стекло. В зависимости от примесей (свинца и др. металлов) различают стекла сорта флинт (тяжёлые, с большим показателем ) ; и легкие крон, с . Однако дисперсия у крона больше, чем у флинта. Поэтому комбинация стекол с разными свойствами позволяет строить оптические системы, исправленные от различного рода аберраций.

Обычно для измерений показателей преломления , , и нахождения средней дисперсии оптического стекла по ГОСТ 3514-94 пользуются методом призмы и высокоточными гониометрами, оснащенными спектральными лампами, наполненными парами натрия и водорода, а так же ртути, кадмия.

Измерение показателей преломления твердых, жидких и газообразных сред осуществляется методами рефрактометрии. К их числу относятся интерференционные методы и методы, основанные на непосредственном измерении углов преломления света при прохождении границы раздела двух сред (угловые методы).

Интерференционные методы используются главным образом для контроля очень малых изменений , что имеет место, например, в газах, жидкостях и растворах при изменении температуры, давления и других параметров состояния. Абсолютная погрешность измерения показателя преломления этими методами составляет .

Угловые методы дают точность на два порядка меньше (около ), однако они проще и быстрее в работе. Приборы, предназначенные для контроля показателей преломления, называются рефрактометрами. Наиболее широко распространены рефрактометры, работающие по схемам Аббе и Пульфриха, рефрактометры погружения, непрерывных процессов и др.

В производственных и лабораторных системах контроля чаще применяют рефрактометрические методы, основанные на измерении угла полного внутреннего отражения. С их помощью можно идентифицировать исследуемые вещества, определять степень их чистоты, изучать природу межатомных связей в молекулах, анализировать сложные системы жидких и газообразных веществ.