Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с принципом действия рефрактометра ИРФ – 22

РАБОТА 18. ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА ИРФ- 22.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с принципом действия рефрактометра ИРФ – 22.

2. Определить зависимость показателя преломления от концентрации
для растворов хлористого натрия (или хлористого калия).

3. Найти неизвестную концентрацию раствора соли.

Краткая теория

При падении световой волны на границу раздела двух прозрачных однородных сред 1 и 2 (рис.1) часть волн отражается под углом, равным углу падения i₁; другая часть пересекает границу раздела и проходит среду 2 в направлении, определяемом установленным еще в начале XVII века законом преломления. Согласно этому закону отношение синусов углов падения i₁ и преломления i₂ есть величина постоянная для данных двух сред:

sin i₁/ sin i₂ =n₂₁

Константа n₂₁ называется относительным показателем преломления второго вещества по отношению к первому.

Волновая теория света устанавливает простую связь показателя преломления со скоростью распространения световых волн в среде 1 υ₁ и в среде 2 υ₂ :

Показатель преломления вещества по отношению к вакууму называются абсолютным показателем преломления: n = c/υ. где с = 3*10⁸ м/с.

Закон преломления может быть выведен и в рамках корпускулярной (квантовой) теории.

Электромагнитная теория Максвелла позволяет установить связь показателя преломления nи относительной диэлектрической проницаемости вещества, измеренной в переменном электрическом поле:

Относительный показатель преломления n₂₁ равен отношению, абсолютных показателей преломления веществ 2 и 1: n₂₁ =n₂/n₁

При измерении показателей преломления в лаборатории определяют относительные показатели преломления исследуемого вещества по отношению к воздуху лабораторного помещения. При нормальном давлении и комнатной температуре абсолютный показатель преломления воздуха близок к единице:

n₁ = n_{воздуха}=1,00027

Следовательно, абсолютный показатель преломления исследуемого вещества

n₂ = 1,00027· n₂₁

Показатель преломления вещества зависит от его природы, внешних условий, главным образом от температуры, и от длины волны света (берется значение λ₀ для вакуума).

Для растворов значение показателя преломления зависит еще и от состава. Диаграммы показатель преломления n – концентрация С могут иметь различную форму (рис. 2)

в зависимости от двух факторов:

1) от природы компонентов и характера их взаимодействия при образовании раствора;

2) от способа выражения концентрации раствора.

Появление экстремумов на графиках

(кривые 3,4) обусловлено изменением объема, либо сильным взаимодействием компонентов.

Рис.2

C

Сингулярные точки (излом на кривой 3) появляются только при образовании в системе прочных, термически недиссоциирующих соединений компонентов. Их положение сохраняется при любом способе выражения состава. Ординаты этих точек отвечают показателю преломления образующегося соединения, а абсциссы – их составу.

Способ выражения концентрации существенно влияет на величину кривизны (кривые 2 )

и определяет ее знак (направление выпуклости).

В идеальных системах, где растворение идет без изменения объема и взаимодействия компонентов, зависимость показателя преломления от состава близка к линейной

(прямая 1), если состав выражен в объемных долях (процентах). Такая зависимость редко соблюдается во всем интервале концентраций от 0 до 100 %, но в ограниченных пределах (до 2O %) встречается часто. Потому для разбавленных растворов широко применяется уравнение:

n = n₀ + kc (1)

где n - показатель преломления раствора относительно воздуха;

n_о - показатель преломления растворителя относительно воздуха;

c - концентрация раствора;

k - эмпирический коэффициент, называемый инкрементом показателя преломления.

Уравнение (1) позволяет определить концентрацию с двух компонентных растворов по известным n, n₀ и k .

Так как преломление света еще называют рефракцией, то измерение показателя преломления веществ – рефрактометрией . Этот метод относится к старейшим физическим методам. Уже Ньютон в “Оптике” предложил его использовать для анализа вещества и его внутреннего строения . Несмотря на появление новейших методов (рентгенография, электронография и др.), рефрактометрия широко используется и в настоящее время. Это связано с тем, что показатель преломления принадлежит к числу немногих физических величин, которые легко можно измерить с очень высокой точностью и небольшой затратой времени, располагая малым количеством вещества,

В данной работе используется прибор ИРФ-22, относящийся к рефрактометрам типа Аббе. В принципе действия приборов этого типа лежит явление полного внутреннего отражения: если свет идет из оптически более плотной среды 1 в среду 2 (рис 1в) под углом i₁>i_пр, то свет не попадает во вторую среду, полностью отражаясь от границы раздела сред. Предельный угол полного внутреннее отражения i_пр - такой угол падения, при котором еще есть преломленный луч, но он скользит вдоль границы раздела сред:

sin i_пр= n₂₁ =n₂/n₁ (2)

Основной частью рефрактометров Аббе являются две призмы 1 и 2 (рис.З.), изготовленные из стекла сорта флинтглас с большим показателем преломления (n=1,72).

Призма 1 с отполированной гранью АВ является измерительной, а призма 2 с матовой гранью А'В' - осветительной. Призмы закреплены в двух полушарах, соединенных вместе и могущих вращаться вокруг горизонтальной оси

Поднимают верхний полушар с призмой 2, и на поверхность призмы 1 помещают 2-3 капли исследуемой жидкости, которые расплываются в тонкий слой при опускании верхней призмы 2.

Матовая грань А'В' рассеивает свет в жидкости по всем направлениям. Часть лучей 1,2,3 попадает на грань АВ под разными углами и, преломляясь, проходит в призму 1 (лучи 1, 2, 3). Наибольший угол падения равный 90^о у луча 3, следовательно, у луча 3 наибольший угол преломления i_пр, и луча с большим углом преломления быть не может. В поле зрения окуляра 6 образуется две области: светлая и темная. Положение границы тени определяется значением i_пр, и согласно формуле (2) зависит от показателя преломления жидкости. Шкала рефрактометра градуируется по значениям показателя преломления.

Вращая винт, расположенный слева на корпусе рефрактометра, поворачивают призмы 1 и 2. При этом перемещают границу тени в окуляре 6до совмещения с центром перекрестия, Отсчет по шкале в окуляре 6 дает значение показателя преломления жидкости для длины волны = 583,3 нм (желтая линия D спектра натрия).

Рефрактометр Аббе имеет преимущество в том, что для освещения можно использовать белый свет, длины волн которого различны и лежат в диапазоне от 400 до 760 нм.

Колебания различных частот распространяются в одной и той же среде с различной скоростью, что обуславливает зависимость показателя преломления от длины волны (частоты) света. Эта зависимость называется дисперсией или рефракционной дисперсией (в отличие от ротационной дисперсии - зависимости угла вращения плоскости поляризации от длины волны).

Вследствие дисперсии граница тени может быть окрашена. Для устранения окраски в рефрактометре Аббе имеется компенсатор 3, состоящий из двух призм прямого зрения, могущих вращаться в противоположных направлениях. Винт для вращения компенсатора находится на корпусе прибора справа от наблюдателя.

Для освещения призмы 2 и отсчетной шкалы на корпусе прибора слева и справа имеются два зеркала.

При точных измерениях для поддержания постоянной температуры к оправе призм 1 и 2 подводится вода из термостата через специальные камеры в полушарах. В учебных лабораториях, где достаточна точность порядка 10^-3…10^-4, измерения проводятся без термостата при комнатной температуре.

Порядок выполнения работы.

1. Проверка рефрактометра.

На поверхность измерительной призмы 1 нанести пипеткой 2-3 капли дистиллированной воды, не касаясь пипеткой поверхности призмы, чтобы не повредить полировку. Осторожно опустить верхний полушар, жидкость должна при этом заполнить весь зазор между призмами.

С помощью зеркал добиться равномерного освещения поля зрения в окуляре 6.

Вращая винт слева на корпусе, найти границу свет-тень.

Вращая винт справа на корпусе, добиться устранения окраски этой границы.

Вращая винт, расположенный слева от наблюдателя, совместить центр перекрестия с границей тень-свет.

Записать результат по шкале до четвертого знака после запятой, определяемого на глаз.

Повторить измерения три раза, для этого поднять верхний полушар, ватой или фильтровальной бумагой осторожно убрать жидкость с измерительной призмы, нанести новые 2-3 капли.

Найти среднее значение и погрешность измерения. Сравнить полученное значение с табличным значением, сделать вывод о погрешности результата.

2. Измерение показателей преломления для серии растворов.

Определить показатели преломления для растворов соли аналогично выше описанному . Занести результаты в таблицу.

N N П/П	Концентрация С
Среднее

3. Построить график зависимости показателя преломления от концентрации раствора.

4. Найти по графику неизвестную концентрацию X раствора.

5. По виду полученного графика сделать вывод, есть ли взаимодействие между компонентами раствора или система соль-вода идеальна.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ

Если зависимость показателя преломления от концентрации линейная, то, пользуясь программой «Прямая», определить постоянные уравнения n₀ и k.

Рассчитать неизвестную концентрацию X раствора соли, сравнить со значением, полученным из графика.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что называется показателем преломления вещества?

2. В чем заключается явление полного внутреннего отражения?

3. По найденному значению показателя преломления воды определить
предельный угол полного внутреннего отражения для воды на границе с воздухом.

4. В чем заключается принцип действия рефрактометра?

5. Пояснить, как с помощью рефрактометра можно определить концентрацию раствора?

ЛИТЕРАТУРА:

Савельев И.В. Курс общей физики, т. 3. М.: Наука, 1982

Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976,

Сивукин Д.В. Общий курс Физики, т.4. М.-. Наука, 1985