2.8.2 Приборы и принадлежности

Рефрактометр, набор кювет со спиртовым раствором известной и неизвестной концентрациями, ваточные тампоны для протирки камеры рефрактометра, пипетка.

2.8.3 Вопросы к занятию

1. Интерференция света. Условия интерференции света.

2. Устройство и принцип действия интерферометров Жамена или Майкельсона.

3. Когерентные источники света. Почему не наблюдается интерференция света от двух различных источников света?

4. Дифракция света. Дифракционная решётка. Формула дифракционной решётки.

5. Основы рентгеноструктурного анализа. Формула Вульфа-Брегга.

6. Понятие о голографии и её применение в биологии и медицине.

7. Преломление света на границе раздела двух сред. Предельный угол преломления. Связь показателя среды с предельным углом преломления.

8. Что такое абсолютный и относительный показатели преломления? Их связь со скоростями света. Основной закон преломления.

9. Полное внутреннее отражение света от границы раздела двух сред. Предельный угол полного внутреннего отражения (ответ поясните рисунком).

10. Устройство рефрактометра. Принцип действия рефрактометра. Почему грань осветительной призмы рефрактометра сделана матовой?

11. От чего зависит величина светового сектора в измерительной призме рефрактометра? Какие показатели можно определить с помощью рефрактометра?

12. Как определить показатель преломления прозрачной жидкости? Непрозрачной жидкости? Для каких жидкостей нельзя определить показатель преломления рефрактометрическим способом?

13. Почему граница тёмного и светлого поля в рефрактометре бывает окрашенной? Как устраняется это явление?

14. Волоконная оптика и её использование в медицине.

15. Устройство и принцип действия интерференционного микроскопа.

2.8.4 Теоретическое введение

Показатель преломления принадлежит к числу немногих физических констант, которые можно измерить с очень высокой точностью и малой затратой времени, располагая лишь небольшим количеством вещества. Для этого используются приборы - рефрактометры. Они позволяют определять показатель преломления с точностью до 0,01% и даже до 0,001% от измеряемой величины, для этого требуется всего (0,05 - 0,5) г вещества, а вся процедура измерений сводится к отсчету по шкале. Один из первых рефрактометров был создан в середине 18 века. Ломоносов назвал его «квадрантом, придуманным для определения преломлений в химических телах». Термин «рефракция» был введен в науку Ньютоном в его книге «Оптика» в начале 18 века. В наше время рефрактометры являются обязательной принадлежностью многих исследовательских и производственных лабораторий. Рефрактометрические методы широко применяются в химической, нефтяной, фармацевтической, пищевой промышленности, в геологии, в сельском хозяйстве для контроля качества и зрелости плодов, овощей и семян. В биологических, химических и физических лабораториях рефрактометры применяются для исследования эфирных масел, жиров, крови, жидкого топлива, смазочных масел, стекол, различных растворов и т.д. Нет сомнения, что простота и доступность измерений в сочетании с высокой точностью позволят рефрактометрическим методам сохранить свое значение и в будущем. Цель данной работы: измерить с помощью рефрактометра показатели преломления ряда жидкостей относительно воздуха, а также найти аналитическую зависимость показателя преломления раствора от концентрации раствора.

Показатель преломления — важная оптическая характеристика прозрачных сред. Она определяет функционирование хрусталика глаза. Метод измерения показателя преломления — рефрактометрия — применяется в лабораторной практике для определения концентра­ции вещества в растворе, установления его подлинности и чистоты. Приборы, использующие особенности распространения света в опти­ческих волокнах с особым распределением показателя преломле­ния — эндоскопы, широко используются для обследования полост­ных органов тела человека.

Пусть две прозрачные среды находятся в контакте, и из среды I в сторону среды II распространяется луч света (рис.1, а, б). Тогда на границе раздела двух сред происходит отражение и преломление (рефракция) света.

Эти процессы подчиняются следующим законам:

1. Отраженный (1’) и преломленный (1”) лучи лежат в одной плос­кости, проходящей через падающий луч (1) и перпендикуляр (2) к поверхности раздела.

2. Угол отражения γ равен углу падения α: γ — α.

3. Синус угла падения α относится к синусу угла преломления β как показатель преломления (n₂) во второй среде к показателю пре­ломления в первой среде (n₁):

⁽¹⁾

Физический смысл показателя преломления п — отношение скоро­сти света в вакууме к скорости света ν в данной среде:

| (2)

Отношение показателей преломления двух сред — среды 2 с пока­зателем преломления n ₂ и среды 1 с показателем преломления n ₁ — называют относительным коэффициентом преломления:

(3)

Если первой средой является вакуум (или воздух), для которых n₁ = c/v = 1, то относительный показатель преломления просто равен показателю преломления во второй среде n ₂₁ = n ₂.

Из двух сред, та, у которой показатель преломления выше, называ­ется оптически более плотной. Например, вода (показатель преломле­ния n = 1,334) — оптически более плотная среда, чем воздух (показа­тель преломления n = 1)

Рис. 1. Схема отражения и преломления лучей на границе раздела двух сред 1 и II с показателями преломления n₁ и n₂, соответственно:

а) — падение луча света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, б) — падение луча света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную: n₁> n₂; 1 — падающий луч, 1’ — отраженный, 1" — преломленный, 2— перпендикуляр к поверхности раздела, а -угол падения, β -угол преломления, γ — угол отражения. Жирными стрелками показан ход лучей, соот­ветствующих предельному углу преломления, (β_пред (рис.1а) и углу полного внутреннего отражения, α_пво (рис.1б).

На рис.1а показано движение луча света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную: n₁ < n₂ в этом случае sin β < sin α, a значит β <α. На рис.1б показан противоположный случай: движение луча света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную: n₁ > n₂ В этом случае sin β > sin α, а значит (β > α).

Если луч падает из оптически менее плотной среды в более плотную (n₁ < n₂) (рис.1б), то по мере возрастания угла падения а от 0 до 90° (когда падающий луч скользит вдоль границы между двумя средами) угол преломления (β также увеличивается, достигая максимального значения — предельного угла преломления β_пред. Как следует из (1):

( 4 )

Существование предельного угла преломления означает, что при движении луча из первой среды во вторую, в последней отсутствуют лучи, распространяющиеся под углами, большими, чем предельный. При этом возникает граница раздела «свет — тень».

Если луч движется из оптически более плотной среды в менее плот­ную (n₁> n₂) (рис. 1б), то угол преломления β больше угла падения а. По мере возрастания угла падения, а от 0 до критического значения — угла полного внутреннего отражения а_{ПВО ,} угол преломле­ния β также увеличивается, достигая максимального значения 90°. В этом случае преломленный луч скользит вдоль границы между двумя средами.

При дальнейшем увеличении угла падения выше а_ПВО преломленный луч исчезает, и остается только отраженный луч. Это явление называется полным внутренним отражением.

Угол полного внутреннего отражения также находится из (1) при значении (β = 90°), а именно:

_{( 5)}

Существование угла полного внутреннего отражения а_пво означа­ет, что при падении луча из первой среды во вторую под углами, боль­шими, чем а_пво свет полностью отражается и не происходит потерь энергии, связанных с выносом энергии волнами, покидающими эту среду.

Если лучи света распространяются из среды менее плотной в среду оптически более плотную (n₁ < n₂) (рис.1а), то существует предель­ный угол преломления β_пред. Если же рассмотреть распространение лучей в обратном направлении — из нижней среды в верхнюю, мы приходим к случаю, когда луч идет из оптически более плотной среды в менее плотную. Для этого случая характерно существование угла полного внутреннего отражения α_пво. Поскольку при этом луч идет из среды с показателем преломления n₂ в среду с показателем n₁ для расчета значения а_пво надо в формулу (5) вместо отношения n₂/n₁ подставить обратную величину. Нетрудно увидеть, что в этом случае справедливо равенство (β_пред = α_пво ).

Итак, для границы раздела двух сред в зависимости от направления распространения света существу­ют либо предельный угол преломления, либо угол полного внутрен­него отражения, — численно эти углы равны.

Явление существования предельного угла преломления и явление полного внутреннего отражения используют в различных устрой­ствах, применяемых в медицине и фармации. Первое явление исполь­зуют для измерения показателя преломления различных веществ, второе — в эндоскопах.

Показатель преломления растворов n определяется показателем преломления растворителя n₀ и линейно зависит от концентрации растворенного вещества:

₍₆₎

где А — коэффициент пропорциональности, характерный для дан растворенного вещества. Значения этого коэффициента определяются с высокой точностью для многих веществ. Поэтому формулу (6) используют для измерения концентрации известных веществ, для этого используют приборы для определения показателя преломления — рефрактометры.

Назначение, принцип действия и устройство рефрактометра

Рефрактометр (рис.2а) предназначен для измерения коэффициента преломления растворов различных веществ. Принцип действия рефрактометра при измерении показателя преломления прозрачных растворов состоит в измерении предельного угла преломления на границе исследуемой жидкости и стеклянной призмы с известным коэффициентом преломления. Рефрактометр состоит из двух призм: вспомогательной откидной призмы (1) с матовой; гранью (2) и измерительной призмы (3). Между ними имеется тонкий зазор толщиной 0,1 мм, в который помещается несколько капель исследуемой жидкости (4). Измеряется предельный угол преломления на границе жидкость — измерительная призма. Встроенный в прибор компенсатор позволяет сделать границу свет — тень черно-белой при освещении белым светом. Отсчеты производятся глазом (7).

Рефрактометр работает следующим образом. Луч света проходит через вспомогательную откидную призму (1) и рассеивается на нижней грани (2). При этом рассеянные лучи распространяются во всех направлениях, в том числе и параллельно поверхности измерительной призмы (3) (рис. 26).

Далее эти лучи преломляются на границе жидкость (4) — измерительная призма (3), и, пройдя сквозь эту призму (3), попадают в устройство (5). Если граница свет — тень оказалась окрашенной и размытой, надо с помощью компенсатора (6) добиться резкой черно-белой белой границы. Конструкция отсчетного устройства позволяет при повороте специального рычага совместить границу свет — тень с маркером отсчетного устройства. При этом маркер показывает на встроенной шкале непосредственно значения коэффициента преломления.

Рис. 2.а, б — блок-схема рефрактометра: 1 — вспомогательная откидная при­зма с матовой нижней гранью (2); 3 — измерительная призма; 4 — исследуемая жидкость; 5 — отсчетное устройство; 6 — компенсатор; 7 — глаз; б — схема рас­сеяния света матовой нижней гранью (2) откидной призмы

Устройство и назначение эндоскопа

Эндоскопия -- вра­чебный метод исследования полостных органов тела (например, моче­вого пузыря, пищевода, желудка) при непосредственном осмотре их с помощью введения в них специальных инструментов — так назы­ваемых эндоскопов. Эндоскоп фактически представляет собой мик­роскоп с небольшим увеличением, приспособленный для введения в полость, то есть имеющий малый диаметр при большой длине тубуса.

Рис. 3. Распространение луча в световоде

В настоящее время широко используются гибкие эндоскопы, в которых для передачи изображения используется не система линз, а световоды — стеклянные нити диаметром 10—50 мкм.

В основу уст­ройств гибких световодов положено явление полного внутреннего отражения света. Стеклянная нить в световоде окружена оболочкой из другого вещества с меньшим показателем преломления (рис.3а). Вследствие этого лучи, падающие на поверхность раздела двух сред под углом, а > а_пво распространяются по сердцевине волокна, не выходя за нее (рис.36). Тем самым, световод позволяет передавать свет на значительные расстояния, как по прямолинейному, так и по криволинейному пути.

С помощью отдельного световода диаметром 5—20 мкм удобно освещать полости, но неудобно получать изображение предметов. Поэтому, как правило, изображение предметов переносится с помо­щью стекловолоконного жгута, составленного из отдельных волокон.

Рис. 4. Стекловолоконный жгут

На рис.4а представлено изображение торца такого стеклово­локонного жгута. Около торца волокна жестко скреплены между собой. Каждый элемент изображения передается по своему волокну (рис.46). Имеются специальные разветвленные жгуты, с помощью которых можно одновременно и осветить стенку внутренней полости, и получить ее изображение (рис. 2.3.4в).

Выполнение работы и составление отчета по лабораторной №8

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ

И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ