Optika_Metoda_2002

Лабораторна робота 4.3а.

МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ ТА РЕФРАКЦІЇ РЕЧОВИНИ

Мета роботи: Ознайомлення з методами вимірювання показника заломлення прозорих газів, рідин та твердих тіл, конструкцією та принципом дії приладів, що використовуються для цього.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

характеристики будови речовини. Для прозорих діелектриків, коли магнітна проникність середовища 1 , показник заломлення можна визначити як

показником заломлення середовища. Відносним показником заломлення називають

n12 n1 / n2 V2 / V1 .

Для ізольованих атомів чи молекул, що не взаємодіють між собою,

де – поляризованість молекули, N – кількість молекул в одиниці об’єму.

У випадку конденсованого середовища до діючого на молекулу зовнішнього електричного поля необхідно додати так зване локальне поле Лоренца, що призводить до співвідношення Лоренц-Лорентца

частота коливань електрона, – частота падаючої електромагнітної хвилі.

Якщо дослідження ведуться в спектральному діапазоні, де речовина прозора (поглинання світла нема), то і n – дійсні величини, скалярні для

ізотропного середовища. Саме в цьому найпростішому випадку ми й будемо використовувати співвідношення Лоренц-Лорентца (2). Із цієї формули

41

випливає, що для даної речовини за незмінної частоти повинно виконуватись співвідношення

r n2 1 1 const , n2 2

оскільки концентрація молекул N пропорційна густині речовини .

Величина у лівій частині цього співвідношення називається питомою рефракцією.

Молярна рефракція – це міра електронної поляризованості речовини. Вона має розмірність об’єму і за порядком величини співпадає з об’ємом всіх молекул у грам-молекулі. Тобто R за порядком величини повинно співпадати з поправкою на об’єм у рівнянні Ван-дер-Ваальса, що і підтверджується результатами дослідів.

Крім цього вводять також поняття молекулярної та атомної рефракції, які визначаються як добуток питомої рефракції на молекулярну або атомну масу, відповідно.

При змішуванні неполярних молекул, коли не утворюються міжмолекулярні зв’язки, рефракція суміші адитивно складається з рефракцій складових частин (правило Біо та Араго).

Для двохкомпонентної суміші

Рефракція речовини із складною молекулярною будовою є сумою рефракцій окремих хімічних радикалів та зв’язків, що утворюють досліджувану молекулу. Це, звичайно, поширило застосування поняття рефракції у структурній хімії. Взагалі в хімії використання рефракції йде двома шляхами: 1) порівняння експериментальних рефракцій з теоретичними з метою ідентифікації та визначення чистоти речовини; 2) визначення різних фізико-хімічних характеристик і будови речовини за встановленими дослідним шляхом залежностями рефракції від цих факторів.

42

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИН ТА ТВЕРДИХ ТІЛ ЗА ДОПОМОГОЮ РЕФРАКТОМЕТРА.

Рефрактометром користуються для експресного визначення показників заломлення світла у рідинах, взятих у невеликій кількості. У деяких приладах крім шкали визначення показників заломлення є також шкала концентрацій, яку можна використовувати для визначення відсоткового складу певного розчину. У роботі застосовується рефрактометр УРЛ-1 (харчовий, лабораторний). Принцип дії цього приладу такий самий, як у класичного рефрактометра Аббе.

Він заснований на явищі, що виникає при проходженні світлом межі розподілу двох середовищ з різними показниками заломлення.

Світло падає на подвійну призму, складену з двох прямокутних призм, як показано на рис.1. Нижня (вимірювальна) призма, яка зроблена з важкого флінта, має величину заломлюючого кута близько 60 . Ґатунок скла й кут верхньої (освітлюючої) призми ніякого значення не мають. Освітлююча призма з’єднана з вимірювальною шарнірами і тому може відводитись від неї. Краплину досліджуваної рідини розміщують між призмами у вигляді тонкого шару. Гіпотенузна грань верхньої освітлюючої призми має матову поверхню, внаслідок чого в досліджуваному шарі речовини світло розсіюється під будь-якими кутами. Крім того, завдяки цьому зображення зовнішніх предметів (лампочки розжарювання, тощо) не потрапляє в наше поле зору.

Світло, розсіяне на матовій поверхні призми, проходить тонкий плоскопаралельний шар досліджуваної рідини і падає на поверхню AB вимірювальної призми під кутами від 0 до 90 . Оскільки показник заломлення рідини менший від показника заломлення призми, то ковзний промінь, заломлюючись на межі рідина-скло, піде у призмі під граничним кутом .

Якщо промінь rs – ковзний, то кут падіння . дорівнює 90 , а закон заломлення має вигляд

43

В точці t, де промінь виходить з призми, маємо

де – кут падіння променя на грань AC, – кут виходу.

Напрямок te в пучку є граничний напрямок розповсюдження світла, що пройшло призму з боку більших кутів, ніж .

Враховуючи, що заломлюючий кут призми A , з виразів (4) та (5) одержуємо:

nx sin A n02 sin 2 cos A sin

тобто nx залежить від параметрів призми та кута виходу граничного

променя.

За цією формулою градуюють рефрактометр. Для цього за призмою розміщують зорову трубу (рис.2), у фокальній площині якої збираються всі

Об.

F

Ок.

Рис.2.

граничні промені на лінії F . Ті промені, що падають на вимірювальну призму під кутами меншими, ніж 90 , будуть утворювати кути заломлення менші, ніж граничний, тому будуть збиратися об’єктивом у точках фокальної площини, які розташовані нижче від точки для променів з граничним кутом. Таким чином, поле зору зорової труби поділяється на світлу і темну зони, граничні промені утворюють межу між ними.

Якщо в роботі з рефрактометром використовується немонохроматичне джерело світла, то межа розподілу поля зору буде кольоровою внаслідок дисперсії світла як у досліджуваній рідині, так і у вимірювальній призмі. Щоб уникнути цього забарвлення, у рефрактометрі використовують компенсатор дисперсії, складений з двох призм прямого зору (призм Амічі). Кожна призма

44

зроблена з трьох частин, підібраних з таким значенням n та dndx , що жовте проміння проходить її, не змінюючи напрямку (рис.3).

C

D

F

C=656,3 нм

D=589,3 нмF=486,1 нм

Рис.3.

У приладі призми Амічі вмонтовані так, що вони можуть обертатися навколо оптичної осі зорової труби в протилежних напрямках, доки не зникне забарвлення межі розподілу поля зору. При цьому її положення співпадає з положенням межі, утвореної жовтим світлом. Тому шкала рефрактометра

градуюється безпосередньо для показника заломлення nD (жовтої лінії натрію).

3

9

45

Оптичну схему приладу подано на рис.4. На освітлювальну призму 2 від джерела світла через лінзу спрямовується проміння, що розсіюється на матовій поверхні, далі проходить шар досліджуваної рідини і заломлюється на площині вимірювальної призми 3. Потім проміння проходить дисперсійний компенсатор 4-5, об’єктив 6, поворотну призму 7, шкалу 8 і через окуляр 9 попадає в око спостерігача. У полі зору одночасно спостерігається шкала, візирна лінія окуляра та межа світла й тіні. Візирну лінію необхідно сумістити з межею і взяти відлік показника заломлення по шкалі. На шкалі позначені з точністю до 1 10-4 значення показника заломлення від 1,3 до 1,7. Десятитисячні частки визначаються на око. На рефрактометрах можна визначити показники заломлення також у відбитому світлі. З цією метою використовують для освітлення нижнє вікно, не користуючись при цьому освітлювальною призмою.

МЕТОДИКА ВИМІРЮВАНЬ.

Перед початком роботи слід перевірити правильність юстування рефрактометра за допомогою платівки з оптичного скла з відомим

показником заломлення nD або рідини.

На поліровану поверхню призми наносять одну краплину імерсійної рідини, показник заломлення якої добре відомий. Платівку опускають на площину вимірювальної призми так, щоб рідина рівномірно розподілилась по всій поверхні призми, але не виступила за її межі. Невиконання цієї умови веде до зміщення межі розподілу світла і тіні.

Переміщуючи освітлювач і одночасно спостерігаючи в окуляр за положенням межі, домагаються різкого переходу від світла до тіні. Потім тричі виконують відлік межі тіні та світла. Середній арифметичний результат

не повинен відрізнятися від значення, приведеного на платівці, більш ніж на 2 10-4.

Контрольну перевірку приладу можна також виконувати за допомогою хімічно чистої води, для якої nD 1.33299 .

Визначення показника заломлення рідин.

Увімкнути лампу, встановити її так, щоб світло падало на освітлювальну призму (верхнє віконце), або при роботі у відбитому світлі – на грань BC вимірювальної призми (нижнє віконце). При цьому в окулярі

спостерігається яскраве освітлене поле зору зі шкалою у лівій частині. Обертаючи окуляр, фокусують його на шкалу та візир. Тримаючи вимірювальну головку за штифти, відводять вверх її частину з освітлювальною призмою. На поліровану поверхню вимірювальної призми наносять кілька крапель досліджуваної рідини. Після цього плавно закривають камеру. Якщо верхня частина прилягає нещільно, то межа

46

світлотіні буде розпливчаста. Рідина повинна заповнювати весь простір між двома призмами тонким плоскопаралельним прошарком.

Переміщуючи окуляр, закріплений на спеціальному тримачі, вздовж шкали, знаходять межу світла-тінь. Для усунення хроматичного забарвлення межі обертають ручку компенсатора. Після цього суміщають візирну лінію з

межею та виконують відлік по шкалі nD з точністю до 4-го знака. Для

кожного вимірювання необхідно тричі навести візирну лінію і взяти середнє значення nD .

Рефрактометри типу УРЛ використовуються також для вимірювання показників заломлення забарвлених рідин. При цьому шар досліджуваної рідини освітлюється знизу через вимірювальну призму. При роботі у відбитому світлі контрастність картини погіршується, тому точність вимірів у цьому випадку низька.

Вимірювання показника заломлення твердих тіл.

Береться, як правило, оптично однорідний досліджуваний зразок. Поверхня, обернена до полірованої вимірювальної призми, повинна бути добре відполірована, а протилежна, обернена до джерела світла – матовою. Досліджуваний зразок розміщується на вимірювальній призмі. Між їхніми полірованими поверхнями повинна знаходиться рідина, показник заломлення якої менший за n0 вимірювальної призми, але більший за nD твердого тіла.

Значення nD вимірюють по шкалі, як і в попередньому випадку.

ПРАВИЛА РОБОТИ З ПРИЛАДОМ

1.Для того, щоб не пошкодити поліровану поверхню вимірювальної призми, досліджувану рідину наносять піпеткою або скляною паличкою а заокругленим кінцем на середину призми, не торкаючись полірованої поверхні.

2.Після проведення вимірів залишки рідини на поверхнях призм слід промокнути фільтрувальним папером. Ні в якому разі не протирати поліровану поверхню.

3.По закінченні роботи треба покласти між гранями призм папір, вимкнути прилад з електромережі та прибрати робоче місце.

ЗАВДАННЯ

1.Перед початком вимірів докладно ознайомтесь з правилами роботи з приладом, технічна інструкція до якого знаходиться на робочому місці.

2.Перевірте за еталоном (чиста вода, платівка з відомим показником заломлення) правильність показів рефрактометра.

47

3.Визначити показник заломлення кількох органічних рідин з точністю до четвертого знаку. Порівняти одержані результати з наведеними в довіднику. За формулою (2а) визначити поляризованість однієї із сполук.

4.Визначити показник заломлення однієї з рідин в відбитому світлі. Порівняти одержану картину поля зору з картиною, одержаною в попередньому випадку, коли світло проходить через призми.

5.Підрахувати питому рефракцію чистих органічних сполук та суміші. Перевірити за формулою (3), що рефракція суміші дорівнює сумі рефракцій окремих компонентів.

6.Виміряти показник заломлення кількох твердих тіл.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.Поясніть виникнення межі світла та тіні у полі зору приладу.

2.Чому межа світла і тіні кольорова? Як позбутися цього забарвлення?

3.Принцип дії призми Амічі.

4.Що таке дисперсія світла?

5.Поясніть фізичний зміст поняття рефракції.

ЛІТЕРАТУРА

1.Горбань І.С. Оптика. – К., 1979. – с.8-13, с.163-165.

2.Борбат О.М., Горбань І.С. та ін. Оптичні виміри. – К., 1967. – с.256-

278.

3. Бутиков Е.И. Оптика. – М., 1986. – с.86-89.

48

Лабораторна робота 4.3б.

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ ГАЗІВ ЗА ДОПОМОГОЮ ІНТЕРФЕРОМЕТРА РЕЛЕЯ

Для вимірювання показників заломлення газів та рідин застосовується інтерферометр Релея. Для пояснення принципу дії цього приладу розглянемо дифракцію паралельних променів на щілинах.

Розмістимо на шляху паралельних монохроматичних світлових променів екран E1 з довгим та вузьким отвором (щілиною). Якщо за допомогою лінзи зібрати світло, що пройшло через щілину, то на другому екрані Е2, розташованому в фокальній площині лінзи (рис.1), одержимо дифракційну картину у вигляді світлих та темних смуг. Вона виникає внаслідок дифракції світлових хвиль, що йдуть від різних місць щілини.

b E1

Мінімуми інтенсивності та нульові значення амплітуди будуть спостерігатися під кутами, для яких виконується умова

b sin m

де m 1,2,3... , – довжина світлової хвилі, b – ширина щілини. З рис.2 видно, що дифракційні смуги мають помітну ширину тільки для вузьких щілин, коли b можна порівняти з . Якщо ж щілина широка, то смуги будуть

розташовані дуже близько одна від одної, спостерігати їх буде важко. Зауважимо, що понад 90% всієї інтенсивності припадає на центральний максимум, тому в подальшій роботі вимірювання провадяться саме на цій ділянці дифракційної картини.

49

Коли в екрані E1 є друга щілина, паралельна першій, то світлові хвилі будуть дифрагувати на кожній з них (рис.3). Лінза збирає паралельне проміння від обох щілин у тих самих місцях екрану E2, розташованого в її фокальній площині.

b

На перший погляд здається, що картина повинна мати такий самий вигляд, тільки буде більш яскравою за рахунок додавання інтенсивностей. Однак це припущення справедливе тільки для того випадку, коли щілини освітлюються некогерентними хвилями. Якщо ж вони являють собою дві частини однієї й тієї ж хвилі, початкові фази коливань у них однакові, тобто вони когерентні, то накладаючись одна на одну в площині екрану E2, вони повинні інтерферувати.

Внаслідок цього загальний вигляд дифракційної картини змінюється. На місці кожної світлої смуги на рис.2 з’являється декілька додаткових світлих та темних смуг. Розподіл інтенсивності світла в залежності від кута дифракціїзображено на рис.4.

Крім уже існуючих мінімумів з’являються додаткові, що визначаються умовою

d sin (2m 1) 2 ;

тут d – відстань між центрами щілин. Умова нових максимумів

d sin m .

50