Описание прибора и методика измерения

Для измерения показателя преломления жидкостей обычно применяют рефрактометр, принцип действия которого основан на явлении полного внутреннего отражения. Главной частью рефрактометра являются две призмы 1 и 2(рис. 2.3), закрепленные в соответствующей оправе. Призма 1 закреплена на оси, проходящей через точку С так, что ее можно поднять повернув относительно оси на некоторый угол, поместить между гранями призм АС и А₁С₁ несколько капель исследуемой жидкости и вновь ее опустить. Между гранями призм в пространстве АСС₁А₁, оказывается тонкий слой жидкости. Узкий пучок лучей через грань АВ попадает перпендикулярно грани АВ призмы 1 и проходит без преломления до грани АС, которая имеет шероховатую поверхность и рассеивает свет. Рассеянные лучи проходят из точки О₁, в жидкость под различными углами, среди которых будет луч, падающий на грань А₁С₁, в точке О₂ второй призмы под углом β, близким к 90°. Этот луч преломляется во второй призме, образуя угол преломления φ, падает на грань В₁С₁ под углом γ и выходит из призмы 2, образуя угол преломления i. Обозначим показатель преломления вещества призмы n, искомый показатель преломления жидкости n_х и показатель преломления окружающего призму воздуха n₁=1. Рассмотрим переход выбранного луча через поверхности раздела, при этом выясним принцип действия прибора и метода измерения. Запишем закон преломления при переходе луча через поверхность раздела А₁С₁ в точке О₂:

Рис. 2.3

(7)

и через поверхность раздела С₁В₁ в точке О₃;

(8)

из (8) находим: sin i = n·sin γ (9)

Угол γ можно выразить через преломляющий угол θ призмы 2. Как видно из рис. 3 θ=γ+φ, отсюда γ=θ-φ. После подстановки в (9) получим:

(10)

Из (7) находим sin φ, через него выразим соs φ и подставим в первое слагаемое (10). Входящий sin φ во втором члене подставим из (7), выразив его через показатели преломления sin φ. В результате этих преобразований (10) примет вид:

(11)

Если рассматриваемый луч скользит по поверхности А₁C₁ призмы 2, что наблюдается при полном внутреннем отражении, то β =90⁰. Тогда sin β=1,φ=γ - угол полного внутреннего отражения, то i₀=i. Минимальный угол i₀ выхода луча из призмы 2 определяется через sin i из (11).

(12)

Как видно из (12) при заданных значениях n и θ, которые являются параметрами прибора, угол i₀ зависит только от неизвестного показателя преломления n_х исследуемой жидкости. Следовательно, выражение (12) является расчетной формулой для его определения по измеренному значению i₀.

Наименьший угол выхода i₀ луча из призмы 2 определяется обычной оптической трубой. Если ее настроить на бесконечность и ориентировать так, чтобы оптическая ось совпадала с выходящим лучом, то нижняя половина поля зрения трубы будет темная, а верхняя — освещена лучами, выходящими под углами i₀<i. По положению границы темной и светлой половины поля зрения определяется наименьший угол i₀ выхода луча из призмы. Искомый показатель преломления n_х вычисляется по уравнению (12).

В нашей лаборатории применяется рефрактометр УРЛ, схема передней части которого показана на рис. 4. Призмы I и II закреплены в оправе 3, сквозь которую проникает луч через окошко 4 от специального осветителя 5. Выходящие из призмы II лучи проходят через специальную оптику, предназначенную для компенсации хроматической аберрации, что достигается путем поворота рычага 6 около среднего положения.

Рисунок 4

Вся указанная оптика вместе с прямоугольной призмой, поворачивающей луч на 90° и направляющей в окуляр 7, скрепляется с рычагом 8. Внутри прибора имеются специальный указатель в виде пунктирной линии и шкала с нанесенными на ней делениями, дающая возможность отсчитать показатель преломления с точностью до 0,001 доли. После настройки прибора в окуляр 7 будут видны пунктирный указатель, шкала и граница раздела темной и светлой половины поля зрения. Поворотом рычага 8 вращается вся оптика относительно призм, указатель совмещается с границей раздела и против него на шкале отсчитывается искомый показатель преломления n_х.

В данном приборе имеется две шкалы, видимые в поле зрения окуляра. Левая шкала дает значения n_х — показателя преломления исследуемой среды, а правая — концентрацию сахара в растворе.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с описанием прибора, изучите его устройство.

2. Включите осветитель, поместите на нижнюю призму каплю исследуемой жидкости, опустите верхнюю призму, произведите отсчет показателя преломления среды по шкале.

3. Вытрите призмы. Поместите на них каплю другой исследуемой жидкости. Все операции повторите.

4. Все данные занесите в таблицу для записей результатов измерения показателя преломления и концентрации сахара в растворе.

5. Постройте график зависимости показателя преломления среды от концентрации растворенного вещества n=f(С), где С — концентрация раствора (сахара).

Таблица 1. Измерение показателя преломления и концентрации сахара растворов

№ п/п	n	C, %	Δn	ΔC, %	En, %	EC, %

Контрольные вопросы

1. Прочитайте закон отражения и преломления света.

2. Каков физический смысл показателя преломления вещества?

3. Что такое полное внутреннее отражение? Когда наблюдается это явление?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №21