Refrakcia alebo lom je jav, pri ktorom k zmene smeru lúča svetla alebo iných vĺn dochádza, keď prekročia hranicu oddeľujúcu dve prostredia, obe priehľadné (prenášajúce tieto vlny) a vnútri prostredia, v ktorom sa vlastnosti neustále menia. .

S fenoménom lomu sa stretávame pomerne často a vnímame ho ako obyčajný jav: vidíme, že tyčinka v priehľadnom pohári s farebnou tekutinou je „zlomená“ v mieste, kde sa vzduch a voda oddeľujú (obr. 1). Keď sa svetlo láme a odráža počas dažďa, radujeme sa, keď vidíme dúhu (obr. 2).

Index lomu je dôležitou charakteristikou látky súvisiacou s jej fyzikálno-chemickými vlastnosťami. Závisí to od hodnôt teploty, ako aj od vlnovej dĺžky svetelných vĺn, pri ktorých sa stanovenie uskutočňuje. Podľa údajov kontroly kvality v roztoku je index lomu ovplyvnený koncentráciou látky rozpustenej v roztoku, ako aj povahou rozpúšťadla. Najmä index lomu krvného séra je ovplyvnený množstvom v ňom obsiahnutých bielkovín, je to spôsobené tým, že pri rôznych rýchlostiach šírenia svetelných lúčov v médiách s rôznou hustotou sa mení ich smer na rozhraní medzi dvoma médiami. . Ak vydelíme rýchlosť svetla vo vákuu rýchlosťou svetla v skúmanej látke, dostaneme absolútny index lomu (index lomu). V praxi sa určuje relatívny index lomu (n), čo je pomer rýchlosti svetla vo vzduchu k rýchlosti svetla v skúmanej látke.

Index lomu sa kvantifikuje pomocou špeciálneho prístroja - refraktometra.

Refraktometria je jednou z najjednoduchších metód fyzikálnej analýzy a možno ju použiť v laboratóriách kontroly kvality pri výrobe chemických, potravinárskych, biologicky aktívnych doplnkov stravy, kozmetiky a iných druhov produktov s minimálnym časom a počtom vzoriek na testovanie.

Konštrukcia refraktometra je založená na skutočnosti, že svetelné lúče sa pri prechode cez hranicu dvoch prostredí (jedno je sklenený hranol, druhé skúšobný roztok) úplne odrážajú (obr. 3).

Ryža. 3. Schéma refraktometra

Zo zdroja (1) dopadá svetelný lúč na zrkadlovú plochu (2), odrazom prechádza do horného osvetľovacieho hranola (3), potom do spodného meracieho hranola (4), ktorý je vyrobený zo skla. s vysokým indexom lomu. Medzi hranoly (3) a (4) sa pomocou kapiláry nanesú 1–2 kvapky vzorky. Aby nedošlo k mechanickému poškodeniu hranola, je potrebné nedotýkať sa jeho povrchu kapilárou.

Okulár (9) vidí pole s prekríženými čiarami na nastavenie rozhrania. Pohybom okuláru treba zarovnať priesečník polí s rozhraním (obr. 4) Rovinu hranola (4) zohráva úlohu rozhrania, na povrchu ktorého sa láme svetelný lúč. Keďže lúče sú rozptýlené, hranica svetla a tieňa je rozmazaná, dúhová. Tento jav je eliminovaný disperzným kompenzátorom (5). Potom lúč prechádza cez šošovku (6) a hranol (7). Na doštičke (8) sú ťahy nitkového kríža (dve krížom prekrížené rovné čiary), ako aj stupnica s indexmi lomu, ktorá je pozorovaná v okuláre (9). Používa sa na výpočet indexu lomu.

Deliaca čiara hraníc poľa bude zodpovedať uhlu vnútorného totálneho odrazu, ktorý závisí od indexu lomu vzorky.

Refraktometria sa používa na stanovenie čistoty a pravosti látky. Táto metóda sa používa aj na stanovenie koncentrácie látok v roztokoch pri kontrole kvality, ktorá sa vypočítava z kalibračného grafu (graf zobrazujúci závislosť indexu lomu vzorky od jej koncentrácie).

V KorolevPharm sa index lomu stanovuje v súlade so schválenou regulačnou dokumentáciou pri vstupnej kontrole surovín, vo výťažkoch z vlastnej výroby, ako aj pri výrobe hotových výrobkov. Stanovenie vykonávajú kvalifikovaní pracovníci akreditovaného fyzikálno-chemického laboratória pomocou refraktometra IRF-454 B2M.

Ak na základe výsledkov vstupnej kontroly surovín index lomu nespĺňa potrebné požiadavky, oddelenie kontroly kvality vypracuje zákon o nezhode, na základe ktorého sa táto šarža surovín vráti späť do dodávateľ.

Spôsob stanovenia

1. Pred začatím meraní sa skontroluje čistota povrchov hranolov, ktoré sa navzájom dotýkajú.

2. Kontrola nulového bodu. Na povrch meracieho hranola nanesieme 2÷3 kvapky destilovanej vody, opatrne uzavrieme osvetľovacím hranolom. Otvorte osvetľovacie okienko a pomocou zrkadla nastavte zdroj svetla najintenzívnejším smerom. Otáčaním skrutiek okulára získame v jeho zornom poli jasné, ostré rozlíšenie medzi tmavými a svetlými poľami. Otočíme skrutku a nasmerujeme čiaru tieňa a svetla tak, aby sa zhodovala s bodom, v ktorom sa čiary pretínajú v hornom okienku okuláru. Na zvislej čiare v spodnom okienku okuláru vidíme požadovaný výsledok - index lomu vody destilovanej pri 20 °C (1,333). Ak sú hodnoty odlišné, nastavte skrutku na index lomu 1,333 a pomocou kľúča (odstráňte nastavovaciu skrutku) privedieme hranicu tieňa a svetla k priesečníku čiar.

3. Určte index lomu. Zdvihnite komoru osvetlenia hranola a odstráňte vodu filtračným papierom alebo gázovým obrúskom. Potom naneste 1-2 kvapky testovacieho roztoku na povrch meracieho hranola a komôrku zatvorte. Skrutky otáčame, kým sa hranice tieňa a svetla nezhodujú s priesečníkom čiar. Na zvislej čiare v spodnom okienku okuláru vidíme požadovaný výsledok – index lomu testovanej vzorky. Index lomu vypočítame na stupnici v spodnom okienku okuláru.

4. Pomocou kalibračného grafu stanovíme vzťah medzi koncentráciou roztoku a indexom lomu. Na zostavenie grafu je potrebné pripraviť štandardné roztoky niekoľkých koncentrácií pomocou prípravkov chemicky čistých látok, zmerať ich indexy lomu a získané hodnoty vyniesť na zvislú os a na vodorovnú os vyniesť zodpovedajúce koncentrácie roztokov. Je potrebné zvoliť koncentračné intervaly, pri ktorých sa pozoruje lineárny vzťah medzi koncentráciou a indexom lomu. Zmeriame index lomu testovanej vzorky a pomocou grafu určíme jeho koncentráciu.

Laboratórne práce

Lom svetla. Meranie indexu lomu kvapaliny

s refraktometrom

Cieľ: prehĺbenie predstáv o fenoméne lomu svetla; štúdium metód merania indexu lomu kvapalných médií; štúdium princípu činnosti s refraktometrom.

Vybavenie: refraktometer, soľné roztoky, pipeta, mäkká handrička na utieranie optických častí prístrojov.

teória

Zákony odrazu a lomu svetla. index lomu.

Na rozhraní medzi médiami svetlo mení smer svojho šírenia. Časť svetelnej energie sa vracia do prvého média, t.j. svetlo sa odráža. Ak je druhé médium priehľadné, potom časť svetla za určitých podmienok prechádza rozhraním medzi médiami a spravidla mení smer šírenia. Tento jav sa nazýva lom svetla. (obr. 1).

Ryža. 1. Odraz a lom svetla na plochom rozhraní medzi dvoma médiami.

Smer odrazených a lomených lúčov pri prechode svetla cez ploché rozhranie medzi dvoma priehľadnými médiami je určený zákonmi odrazu a lomu svetla.

Zákon odrazu svetla. Odrazený lúč leží v rovnakej rovine ako dopadajúci lúč a normála sa vrátila do roviny rozhrania v bode dopadu. Uhol dopadu rovný uhlu odrazu
.

Zákon lomu svetla. Lomený lúč leží v rovnakej rovine ako dopadajúci lúč a normála je obnovená na rovinu rozhrania v bode dopadu. Pomer sínusu uhla dopadu α na sínus uhla lomu β pre tieto dve média existuje konštantná hodnota, ktorá sa nazýva relatívny index lomu druhého média vzhľadom na prvé:

Relatívny index lomu dve médiá sa rovná pomeru rýchlosti svetla v prvom médiu v ​​1 k rýchlosti svetla v druhom médiu v 2:

Ak svetlo prechádza z vákua do prostredia, potom sa index lomu prostredia vzhľadom na vákuum nazýva absolútny index lomu tohto prostredia a rovná sa pomeru rýchlosti svetla vo vákuu. s na rýchlosť svetla v danom médiu v:

Absolútne indexy lomu sú vždy väčšie ako jedna; pre vzduch n braný ako jednotka.

Relatívny index lomu dvoch médií možno vyjadriť ako ich absolútny index n 1 a n 2 :

Stanovenie indexu lomu kvapaliny

Na rýchle a pohodlné stanovenie indexu lomu kvapalín existujú špeciálne optické prístroje - refraktometre, ktorých hlavnou súčasťou sú dva hranoly (obr. 2): pomocné Atď. jeden a meranie Príklad 2 Skúšobná kvapalina sa naleje do medzery medzi hranolmi.

Pri meraní indikátorov možno použiť dve metódy: metódu grazing beam (pre priehľadné kvapaliny) a metódu úplného vnútorného odrazu (pre tmavé, zakalené a farebné roztoky). V tejto práci je použitý prvý z nich.

Pri metóde grazing beam svetlo z vonkajšieho zdroja prechádza cez tvár AB hranoly Ex 1, difunduje na jeho matnom povrchu AC a potom cez vrstvu skúmanej kvapaliny preniká do hranola Príklad 2 Matný povrch sa stáva zdrojom lúčov zo všetkých smerov, takže ho možno pozorovať aj cez tvár EF hranoly Príklad 2 Avšak, linka AC je možné vidieť cez EF iba pod uhlom väčším ako je nejaký obmedzujúci minimálny uhol i. Hodnota tohto uhla je jednoznačne spojená s indexom lomu kvapaliny umiestnenej medzi hranolmi, čo bude hlavnou myšlienkou konštrukcie refraktometra.

Zvážte prechod svetla cez tvár EF spodný merací hranol Príklad 2 Ako je možné vidieť na obr. 2, použitím dvojnásobného zákona lomu svetla môžeme získať dva vzťahy:

(1)

(2)

Pri riešení tohto systému rovníc je ľahké dospieť k záveru, že index lomu kvapaliny

(3)

závisí od štyroch veličín: Q, r, r 1 a i. Nie všetky sú však nezávislé. Napríklad,

r+ s= R , (4)

kde R - uhol lomu hranola Príklad 2. Navyše nastavením uhla Q maximálna hodnota je 90°, z rovnice (1) dostaneme:

(5)

Ale maximálna hodnota uhla r , ako je možné vidieť z obr. 2 a vzťahy (3) a (4) zodpovedajú minimálnym hodnotám uhlov i a r 1 , tie. i min a r min .

Index lomu kvapaliny pre prípad „klzných“ lúčov teda súvisí len s uhlom i. V tomto prípade existuje minimálna hodnota uhla i, keď okraj AC je stále pozorovaný, t.j. v zornom poli sa javí ako zrkadlovo biely. Pri menších pozorovacích uhloch nie je okraj viditeľný a v zornom poli sa toto miesto javí ako čierne. Keďže teleskop prístroja zachytáva pomerne širokú uhlovú zónu, v zornom poli sú súčasne pozorované svetlé a čierne plochy, ktorých hranica zodpovedá minimálnemu pozorovaciemu uhlu a jednoznačne súvisí s indexom lomu kvapaliny. Pomocou konečného výpočtového vzorca:

(jeho záver je vynechaný) a množstvo kvapalín so známymi indexmi lomu, je možné prístroj kalibrovať, t.j. stanoviť vzájomnú zhodu medzi indexmi lomu kvapalín a uhlami i min . Všetky vyššie uvedené vzorce sú odvodené pre lúče akejkoľvek vlnovej dĺžky.

Svetlo rôznych vlnových dĺžok sa bude lámať, berúc do úvahy disperziu hranola. Keď je teda hranol osvetlený bielym svetlom, rozhranie bude rozmazané a zafarbené v rôznych farbách v dôsledku disperzie. Preto má každý refraktometer kompenzátor, ktorý umožňuje eliminovať výsledok disperzie. Môže pozostávať z jedného alebo dvoch hranolov priameho videnia - Amici hranolov. Každý hranol Amici sa skladá z troch sklenených hranolov s rôznymi indexmi lomu a rôznym rozptylom, napríklad vonkajšie hranoly sú vyrobené z korunového skla a stredný hranol je vyrobený z flintového skla (korunové sklo a flintové sklo sú druhy skla). Otáčaním hranola kompenzátora pomocou špeciálneho zariadenia sa dosiahne ostrý, bezfarebný obraz rozhrania, ktorého poloha zodpovedá hodnote indexu lomu pre žltú sodíkovú čiaru. λ \u003d 5893 Å (hranoly sú navrhnuté tak, aby v nich lúče s vlnovou dĺžkou 5893 Å nezaznamenali odchýlky).

Lúče, ktoré prešli cez kompenzátor, vstupujú do objektívu ďalekohľadu, potom prechádzajú cez reverzný hranol cez okulár ďalekohľadu do oka pozorovateľa. Schematický priebeh lúčov je znázornený na obr. 3.

Stupnica refraktometra je kalibrovaná z hľadiska indexu lomu a koncentrácie roztoku sacharózy vo vode a je umiestnená v ohniskovej rovine okuláru.

experimentálna časť

Úloha 1. Kontrola refraktometra.

Svetlo nasmerujte zrkadlom na pomocný hranol refraktometra. So zdvihnutým pomocným hranolom napipetujte niekoľko kvapiek destilovanej vody na merací hranol. Sklopením sekundárneho hranola dosiahnete najlepšie osvetlenie zorného poľa a okulár nastavte tak, aby bol dobre viditeľný zameriavací kríž a stupnica indexu lomu. Otočením kamery meracieho hranola získate hranicu svetla a tieňa v zornom poli. Otáčaním hlavy kompenzátora docielite elimináciu zafarbenia hranice svetla a tieňa. Zarovnajte hranicu svetla a tieňa s nitkovým krížom a zmerajte index lomu vody n izmov . Ak refraktometer funguje, potom pre destilovanú vodu by mala byť hodnota n 0 = 1,333, ak sa hodnoty líšia od tejto hodnoty, musíte určiť korekciu Δn= n izmov - 1,333, čo by sa potom malo brať do úvahy pri ďalšej práci s refraktometrom. Vykonajte opravy v tabuľke 1.

Stôl 1.

	n 0	n izmov	Δ n
H 2 O

Úloha 2. Stanovenie indexu lomu kvapaliny.

Stanovte indexy lomu roztokov známych koncentrácií, pričom zohľadnite zistenú korekciu.

Tabuľka 2

C, asi. %	n izmov	n ist

Nakreslite závislosť indexu lomu roztokov chloridu sodného od koncentrácie podľa získaných výsledkov. Urobte záver o závislosti n na C; vyvodiť závery o presnosti meraní na refraktometri.

Vezmite soľný roztok neznámej koncentrácie S X , určte jeho index lomu a nájdite koncentráciu roztoku z grafu.

Vyčistite pracovisko, hranoly refraktometrov opatrne utrite vlhkou čistou handričkou.

testovacie otázky

Odraz a lom svetla.

Absolútne a relatívne indexy lomu média.

Princíp činnosti refraktometra. Metóda posuvného lúča.

Schematický priebeh lúčov v hranole. Prečo sú potrebné kompenzačné hranoly?

Šírenie, odraz a lom svetla

Povaha svetla je elektromagnetická. Jedným z dôkazov je zhoda rýchlostí elektromagnetických vĺn a svetla vo vákuu.

V homogénnom prostredí sa svetlo šíri priamočiaro. Toto tvrdenie sa nazýva zákon priamočiareho šírenia svetla. Experimentálnym dôkazom tohto zákona sú ostré tiene dané bodovými zdrojmi svetla.

Geometrická čiara označujúca smer šírenia svetla sa nazýva svetelný lúč. V izotropnom prostredí sú svetelné lúče smerované kolmo na čelo vlny.

Miesto bodov prostredia oscilujúcich v rovnakej fáze sa nazýva vlnová plocha a množina bodov, do ktorých oscilácia dosiahla daný časový bod, sa nazýva čelo vlny. Podľa typu čela vlny sa rozlišujú rovinné a sférické vlny.

Na vysvetlenie procesu šírenia svetla sa používa všeobecný princíp vlnovej teórie o pohybe čela vlny v priestore, ktorý navrhol holandský fyzik H. Huygens. Podľa Huygensovho princípu je každý bod prostredia, do ktorého sa dostane svetelná excitácia, stredom sférických sekundárnych vĺn, ktoré sa tiež šíria rýchlosťou svetla. Povrchová obálka čiel týchto sekundárnych vĺn udáva polohu čela skutočne sa šíriacej vlny v danom časovom okamihu.

Je potrebné rozlišovať medzi svetelnými lúčmi a svetelnými lúčmi. Svetelný lúč je časť svetelnej vlny, ktorá nesie svetelnú energiu v danom smere. Pri nahradení svetelného lúča svetelným lúčom, ktorý ho opisuje, sa musí tento lúč považovať za zhodný s osou pomerne úzkeho, ale s konečnou šírkou (rozmery prierezu sú oveľa väčšie ako vlnová dĺžka) svetelného lúča.

Existujú divergentné, zbiehajúce sa a kváziparalelné svetelné lúče. Často sa používa termín lúč svetelných lúčov alebo jednoducho svetelné lúče, čo znamená súbor svetelných lúčov, ktoré opisujú skutočný svetelný lúč.

Rýchlosť svetla vo vákuu c = 3 108 m/s je univerzálna konštanta a nezávisí od frekvencie. Prvýkrát bola rýchlosť svetla experimentálne určená astronomickou metódou dánskeho vedca O. Römera. A. Michelson presnejšie zmeral rýchlosť svetla.

Rýchlosť svetla v hmote je menšia ako vo vákuu. Pomer rýchlosti svetla vo vákuu k jeho rýchlosti v danom prostredí sa nazýva absolútny index lomu prostredia:

kde c je rýchlosť svetla vo vákuu, v je rýchlosť svetla v danom prostredí. Absolútne indexy lomu všetkých látok sú väčšie ako jednota.

Keď sa svetlo šíri prostredím, je absorbované a rozptýlené a na rozhraní medzi médiami sa odráža a láme.

Zákon odrazu svetla: dopadajúci lúč, odrazený lúč a kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami, obnovené v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine; uhol odrazu g sa rovná uhlu dopadu a (obr. 1). Tento zákon sa zhoduje so zákonom odrazu pre vlny akejkoľvek povahy a možno ho získať ako dôsledok Huygensovho princípu.

Zákon lomu svetla: dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica na rozhranie medzi dvoma prostrediami, obnovené v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine; pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu pre danú frekvenciu svetla je konštantná hodnota, ktorá sa nazýva relatívny index lomu druhého prostredia vzhľadom k prvému:

Experimentálne stanovený zákon lomu svetla je vysvetlený na základe Huygensovho princípu. Podľa vlnových koncepcií je lom dôsledok zmeny rýchlosti šírenia vlny pri prechode z jedného prostredia do druhého a fyzikálny význam relatívneho indexu lomu je pomer rýchlosti šírenia vlny v prvom prostredí v1 k. rýchlosť ich šírenia v druhom médiu

Pre médiá s absolútnymi indexmi lomu n1 a n2 sa relatívny index lomu druhého média vzhľadom na prvé rovná pomeru absolútneho indexu lomu druhého média k absolútnemu indexu lomu prvého média:

Prostredie, ktoré má vyšší index lomu, sa nazýva opticky hustejšie, rýchlosť šírenia svetla v ňom je nižšia. Ak svetlo prechádza z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého, potom pri určitom uhle dopadu a0 by sa mal uhol lomu rovnať p/2. Intenzita lomu lúča sa v tomto prípade rovná nule. Svetlo dopadajúce na rozhranie medzi dvoma médiami sa od neho úplne odráža.

Uhol dopadu a0, pri ktorom dochádza k úplnému vnútornému odrazu svetla, sa nazýva hraničný uhol úplného vnútorného odrazu. Pri všetkých uhloch dopadu rovných alebo väčších ako a0 dochádza k úplnému odrazu svetla.

Hodnota medzného uhla sa zistí zo vzťahu Ak n2 = 1 (vákuum), potom

2 Index lomu látky je hodnota rovnajúca sa pomeru fázových rýchlostí svetla (elektromagnetického vlnenia) vo vákuu a v danom prostredí. Hovoria tiež o indexe lomu pre akékoľvek iné vlny, napríklad zvuk

Index lomu závisí od vlastností látky a vlnovej dĺžky žiarenia, pri niektorých látkach sa index lomu mení pomerne silno, keď sa frekvencia elektromagnetických vĺn mení z nízkych frekvencií na optické a ďalej, a môže sa tiež meniť v určitých oblasti frekvenčnej stupnice. Predvolený je zvyčajne optický rozsah alebo rozsah určený kontextom.

Existujú opticky anizotropné látky, v ktorých index lomu závisí od smeru a polarizácie svetla. Takéto látky sú celkom bežné, najmä sú to všetky kryštály s dostatočne nízkou symetriou kryštálovej mriežky, ako aj látky podliehajúce mechanickej deformácii.

Index lomu môže byť vyjadrený ako základná hodnota súčinu magnetických a permitivít média

(treba vziať do úvahy, že hodnoty magnetickej permeability a absolútneho indexu permitivity pre záujmový frekvenčný rozsah - napríklad optický, sa môžu značne líšiť od statickej hodnoty týchto hodnôt).

Na meranie indexu lomu sa používajú manuálne a automatické refraktometre. Pri použití refraktometra na stanovenie koncentrácie cukru vo vodnom roztoku sa zariadenie nazýva sacharimeter.

Pomer sínusu uhla dopadu () lúča k sínusu uhla lomu () pri prechode lúča z média A do média B sa pre túto dvojicu prostredí nazýva relatívny index lomu.

Veličina n je relatívny index lomu média B vzhľadom na médium A, an" = 1/n je relatívny index lomu média A vzhľadom na médium B.

Táto hodnota, ceteris paribus, je zvyčajne menšia ako jedna, keď lúč prechádza z hustejšieho média do média s menšou hustotou, a väčšia než jedna, keď lúč prechádza z média s menšou hustotou do média s hustejšou (napríklad z plynu alebo z vákua na kvapalinu alebo pevnú látku). Z tohto pravidla existujú výnimky, a preto je zvykom nazývať médium opticky viac alebo menej husté ako iné (nezamieňať s optickou hustotou ako mierou opacity média).

Lúč dopadajúci z bezvzduchového priestoru na povrch nejakého média B sa láme silnejšie ako keď naň dopadá z iného média A; index lomu lúča dopadajúceho na médium z bezvzduchového priestoru sa nazýva jeho absolútny index lomu alebo jednoducho index lomu tohto prostredia, ide o index lomu, ktorého definícia je uvedená na začiatku článku. Index lomu akéhokoľvek plynu, vrátane vzduchu, je za normálnych podmienok oveľa nižší ako index lomu kvapalín alebo pevných látok, preto možno približne (a s relatívne dobrou presnosťou) absolútny index lomu posúdiť z indexu lomu vo vzťahu k vzduchu.

Ryža. 3. Princíp činnosti interferenčného refraktometra. Lúč svetla je rozdelený tak, že jeho dve časti prechádzajú cez kyvety dĺžky l naplnené látkami s rôznym indexom lomu. Lúče na výstupe z bunky nadobudnú určitý dráhový rozdiel a keď sa spoja, vytvoria na obrazovke obraz interferenčných maxím a miním s rádmi k (zobrazené schematicky vpravo). Rozdiel v indexoch lomu Dn=n2 –n1 =kl/2, kde l je vlnová dĺžka svetla.

Refraktometre sú zariadenia používané na meranie indexu lomu látok. Princíp činnosti refraktometra je založený na fenoméne úplného odrazu. Ak rozptýlený lúč svetla dopadá na rozhranie medzi dvoma médiami s indexmi lomu a z opticky hustejšieho prostredia, potom od určitého uhla dopadu lúče nevstupujú do druhého prostredia, ale úplne sa odrážajú od rozhrania v prvé médium. Tento uhol sa nazýva hraničný uhol úplného odrazu. Obrázok 1 ukazuje správanie sa lúčov, keď dopadajú do určitého prúdu tohto povrchu. Lúč ide pod obmedzujúcim uhlom. Zo zákona lomu môžete určiť:, (lebo).

Limitný uhol závisí od relatívneho indexu lomu týchto dvoch médií. Ak sú lúče odrazené od povrchu nasmerované na zbiehavú šošovku, potom v ohniskovej rovine šošovky je možné vidieť hranicu svetla a penumbry, pričom poloha tejto hranice závisí od hodnoty limitného uhla a následne , na indexe lomu. Zmena indexu lomu jedného z médií má za následok zmenu polohy rozhrania. Hranica medzi svetlom a tieňom môže slúžiť ako indikátor pri určovaní indexu lomu, ktorý sa používa v refraktometroch. Táto metóda stanovenia indexu lomu sa nazýva metóda úplného odrazu.

Okrem metódy úplného odrazu využívajú refraktometre metódu grazing beam. Pri tejto metóde dopadá lúč rozptýleného svetla na hranicu z opticky menej hustého prostredia vo všetkých možných uhloch (obr. 2). Lúč kĺzajúci po povrchu (), zodpovedá - medznému uhlu lomu (lúč na obr. 2). Ak je na dráhu lúčov () lomených na povrchu umiestnená šošovka, potom v ohniskovej rovine šošovky uvidíme aj ostrú hranicu medzi svetlom a tieňom.

Ryža. 2

Keďže podmienky určujúce hodnotu medzného uhla sú pri oboch metódach rovnaké, poloha rozhrania je rovnaká. Obe metódy sú ekvivalentné, ale metóda úplného odrazu umožňuje merať index lomu nepriehľadných látok

Dráha lúčov v trojuholníkovom hranole

Obrázok 9 znázorňuje rez skleneným hranolom s rovinou kolmou na jeho bočné okraje. Lúč v hranole sa odchyľuje k základni a láme sa na stenách OA a 0B. Uhol j medzi týmito plochami sa nazýva uhol lomu hranola. Uhol vychýlenia q lúča závisí od uhla lomu hranola j, indexu lomu n materiálu hranolu a uhla dopadu a. Dá sa vypočítať pomocou zákona lomu (1.4).

Refraktometer používa zdroj bieleho svetla 3. V dôsledku rozptylu pri prechode svetla cez hranoly 1 a 2 sa hranica medzi svetlom a tieňom ukáže ako farebná. Aby sa tomu zabránilo, je pred šošovkou ďalekohľadu umiestnený kompenzátor 4. Pozostáva z dvoch rovnakých hranolov, z ktorých každý je zlepený z troch hranolov s rôznym indexom lomu. Hranoly sa vyberajú tak, aby vznikol monochromatický lúč s vlnovou dĺžkou = 589,3 um. (vlnová dĺžka žltej sodíkovej čiary) nebola testovaná po prechode kompenzátorom vychýlenia. Lúče s inými vlnovými dĺžkami sú vychyľované hranolmi do rôznych smerov. Pohybom kompenzačných hranolov pomocou špeciálnej rukoväte je hranica medzi svetlom a tmou čo najjasnejšia.

Lúče svetla, ktoré prešli kompenzátorom, dopadajú do šošovky 6 ďalekohľadu. Obraz rozhrania svetlo-tieň je pozorovaný cez okulár 7 ďalekohľadu. Zároveň sa cez okulár pozerá na stupnicu 8. Keďže medzný uhol lomu a medzný uhol úplného odrazu závisia od indexu lomu kvapaliny, hodnoty tohto indexu lomu sa okamžite vykreslia na stupnica refraktometra.

Optická sústava refraktometra obsahuje aj rotačný hranol 5. Umožňuje umiestniť os ďalekohľadu kolmo na hranoly 1 a 2, čím je pozorovanie pohodlnejšie.

Zákon lomu svetla. Absolútne a relatívne indexy (koeficienty) lomu. Totálny vnútorný odraz

Zákon lomu svetla bola založená empiricky v 17. storočí. Keď svetlo prechádza z jedného priehľadného média do druhého, smer svetla sa môže zmeniť. Zmena smeru svetla na rozhraní rôznych médií sa nazýva lom svetla. Vševedúcnosť lomu je zjavná zmena tvaru objektu. (príklad: lyžica v pohári vody). Zákon lomu svetla: Na hranici dvoch prostredí leží lomený lúč v rovine dopadu a vytvára s normálou k rozhraniu obnovenou v bode dopadu uhol lomu taký, že: = n 1- pád, 2 odrazy, n-index lomu (f. Snelius) - relatívny ukazovateľ Index lomu lúča dopadajúceho na médium z bezvzduchového priestoru sa nazýva jeho absolútny index lomu. Uhol dopadu, pri ktorom lomený lúč začne kĺzať po rozhraní medzi dvoma médiami bez prechodu do opticky hustejšieho média - hraničný uhol celkového vnútorného odrazu. Totálny vnútorný odraz- vnútorný odraz za predpokladu, že uhol dopadu presahuje určitý kritický uhol. V tomto prípade sa dopadajúca vlna úplne odráža a hodnota koeficientu odrazu presahuje svoje najvyššie hodnoty pre leštené povrchy. Koeficient odrazu pre úplný vnútorný odraz nezávisí od vlnovej dĺžky. V optike je tento jav pozorovaný pre široké spektrum elektromagnetického žiarenia vrátane röntgenového rozsahu. V geometrickej optike sa jav vysvetľuje v zmysle Snellovho zákona. Vzhľadom na to, že uhol lomu nemôže presiahnuť 90°, dostaneme, že pri uhle dopadu, ktorého sínus je väčší ako pomer menšieho indexu lomu k väčšiemu, by sa elektromagnetická vlna mala úplne odrážať do prvého prostredia. Príklad: Jasný lesk mnohých prírodných kryštálov, a najmä fazetovaných drahokamov a polodrahokamov, sa vysvetľuje úplným vnútorným odrazom, v dôsledku ktorého každý lúč, ktorý vstupuje do kryštálu, vytvára veľké množstvo pomerne jasných lúčov, ktoré vychádzajú, sfarbené ako výsledok rozptylu.

Fyzikálne zákony zohrávajú veľmi dôležitú úlohu pri vykonávaní výpočtov na plánovanie špecifickej stratégie výroby akéhokoľvek produktu alebo pri zostavovaní projektu výstavby konštrukcií na rôzne účely. Vypočítava sa veľa hodnôt, takže merania a výpočty sa vykonávajú pred začatím plánovacích prác. Napríklad index lomu skla sa rovná pomeru sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu.

Najprv teda prebieha proces merania uhlov, potom sa vypočíta ich sínus a až potom môžete získať požadovanú hodnotu. Napriek dostupnosti tabuľkových údajov sa oplatí zakaždým vykonať dodatočné výpočty, pretože referenčné knihy často používajú ideálne podmienky, ktoré je v reálnom živote takmer nemožné dosiahnuť. Preto sa v skutočnosti bude ukazovateľ nevyhnutne líšiť od tabuľkového a v niektorých situáciách má zásadný význam.

Absolútny ukazovateľ

Absolútny index lomu závisí od značky skla, pretože v praxi existuje veľké množstvo možností, ktoré sa líšia zložením a stupňom priehľadnosti. V priemere je to 1,5 a okolo tejto hodnoty sa pohybuje o 0,2 v jednom alebo druhom smere. V zriedkavých prípadoch môžu existovať odchýlky od tohto čísla.

Opäť, ak je dôležitý presný ukazovateľ, potom sú nevyhnutné dodatočné merania. Ale ani tie neposkytnú 100% spoľahlivý výsledok, pretože konečnú hodnotu ovplyvní poloha slnka na oblohe a oblačnosť v deň meraní. Našťastie v 99,99% prípadov stačí jednoducho vedieť, že index lomu materiálu ako je sklo je väčší ako jedna a menší ako dve a všetky ostatné desatiny a stotiny nehrajú rolu.

Na fórach, ktoré sa zaoberajú pomocou pri riešení problémov vo fyzike, často bliká otázka, aký je index lomu skla a diamantu? Mnoho ľudí si myslí, že keďže tieto dve látky majú podobný vzhľad, ich vlastnosti by mali byť približne rovnaké. Ale to je klam.

Maximálny lom skla bude okolo 1,7, zatiaľ čo pre diamant toto číslo dosiahne 2,42. Tento drahokam je jedným z mála materiálov na Zemi, ktorého index lomu presahuje 2. Je to spôsobené jeho kryštalickou štruktúrou a veľkým šírením svetelných lúčov. Fazetovanie hrá minimálnu úlohu pri zmenách hodnoty tabuľky.

Relatívny ukazovateľ

Relatívny ukazovateľ pre niektoré prostredia možno charakterizovať takto:

• - index lomu skla vo vzťahu k vode je približne 1,18;
• - index lomu toho istého materiálu vo vzťahu k vzduchu sa rovná 1,5;
• - index lomu vo vzťahu k alkoholu - 1,1.

Meranie ukazovateľa a výpočet relatívnej hodnoty sa vykonáva podľa dobre známeho algoritmu. Ak chcete nájsť relatívny parameter, musíte rozdeliť jednu hodnotu tabuľky druhou. Alebo urobte experimentálne výpočty pre dve prostredia a potom rozdeľte získané údaje. Takéto operácie sa často vykonávajú v laboratórnych triedach fyziky.

Stanovenie indexu lomu

Stanovenie indexu lomu skla v praxi je dosť ťažké, pretože na meranie počiatočných údajov sú potrebné vysoko presné prístroje. Akákoľvek chyba sa zvýši, pretože výpočet používa zložité vzorce, ktoré vyžadujú absenciu chýb.

Vo všeobecnosti tento koeficient ukazuje, koľkokrát sa rýchlosť šírenia svetelných lúčov spomalí pri prechode cez určitú prekážku. Preto je typický len pre priehľadné materiály. Pre referenčnú hodnotu, to znamená pre jednotku, sa berie index lomu plynov. Urobilo sa to preto, aby bolo možné vychádzať z nejakej hodnoty vo výpočtoch.

Ak slnečný lúč dopadá na sklenený povrch s indexom lomu, ktorý sa rovná tabuľkovej hodnote, možno ho zmeniť niekoľkými spôsobmi:

• 1. Na vrch nalepte fóliu, v ktorej bude index lomu vyšší ako u skla. Tento princíp sa používa pri tónovaní skiel automobilov na zlepšenie pohodlia pasažierov a umožnenie vodičovi lepšie vidieť na cestu. Film tiež zadrží ultrafialové žiarenie.
• 2. Sklo natrieme farbou. Takto to robia výrobcovia lacných slnečných okuliarov, no treba si uvedomiť, že to môže poškodiť váš zrak. V dobrých modeloch sa okuliare ihneď vyrábajú farebné pomocou špeciálnej technológie.
• 3. Ponorte pohár do nejakej tekutiny. Toto je užitočné len pre experimenty.

Ak svetelný lúč prechádza zo skla, potom sa index lomu na ďalšom materiáli vypočíta pomocou relatívneho koeficientu, ktorý možno získať porovnaním tabuľkových hodnôt navzájom. Tieto výpočty sú veľmi dôležité pri navrhovaní optických systémov, ktoré nesú praktickú alebo experimentálnu záťaž. Chyby tu nie sú povolené, pretože spôsobia poruchu celého zariadenia a potom budú akékoľvek dáta prijaté s ním zbytočné.

Na určenie rýchlosti svetla v skle s indexom lomu je potrebné vydeliť absolútnu hodnotu rýchlosti vo vákuu indexom lomu. Ako referenčné médium sa používa vákuum, pretože tam nepôsobí refrakcia kvôli absencii akýchkoľvek látok, ktoré by mohli narúšať nerušený pohyb svetelných lúčov po danej trajektórii.

Vo všetkých vypočítaných ukazovateľoch bude rýchlosť nižšia ako v referenčnom médiu, pretože index lomu je vždy väčší ako jedna.

Obráťme sa pri formulovaní zákona lomu na podrobnejšiu úvahu o nami zavedenom indexe lomu v § 81.

Index lomu závisí od optických vlastností a prostredia, z ktorého lúč dopadá, a prostredia, do ktorého preniká. Index lomu získaný pri dopade svetla z vákua na médium sa nazýva absolútny index lomu tohto média.

Ryža. 184. Relatívny index lomu dvoch médií:

Nech je absolútny index lomu prvého prostredia a druhého prostredia - . Vzhľadom na lom na rozhraní prvého a druhého prostredia dbáme na to, aby sa index lomu pri prechode z prvého prostredia do druhého, takzvaný relatívny index lomu, rovnal pomeru absolútnych indexov lomu prostredia. druhé a prvé médium:

(Obr. 184). Naopak, pri prechode z druhého prostredia do prvého máme relatívny index lomu

Zistené spojenie medzi relatívnym indexom lomu dvoch prostredí a ich absolútnymi indexmi lomu by sa dalo odvodiť aj teoreticky, bez nových experimentov, rovnako ako pre zákon reverzibility (§ 82),

O médiu s vyšším indexom lomu sa hovorí, že je opticky hustejšie. Zvyčajne sa meria index lomu rôznych médií vo vzťahu k vzduchu. Absolútny index lomu vzduchu je . Podľa vzorca teda absolútny index lomu akéhokoľvek média súvisí s jeho indexom lomu vzhľadom na vzduch

Tabuľka 6. Index lomu rôznych látok vo vzťahu k vzduchu

Index lomu závisí od vlnovej dĺžky svetla, teda od jeho farby. Rôzne farby zodpovedajú rôznym indexom lomu. Tento jav, nazývaný disperzia, hrá v optike dôležitú úlohu. Týmto javom sa budeme opakovane zaoberať v ďalších kapitolách. Údaje uvedené v tabuľke. 6, pozri žlté svetlo.

Je zaujímavé poznamenať, že zákon odrazu môže byť formálne napísaný v rovnakej forme ako zákon lomu. Pripomeňme, že sme sa dohodli, že budeme vždy merať uhly od kolmice k príslušnému lúču. Preto musíme uhol dopadu a uhol odrazu považovať za opačné znamienka, t.j. zákon odrazu možno napísať ako

Pri porovnaní (83.4) so ​​zákonom lomu vidíme, že zákon odrazu možno považovať za špeciálny prípad zákona lomu pri . Táto formálna podobnosť medzi zákonmi odrazu a lomu je veľmi užitočná pri riešení praktických problémov.

V predchádzajúcej prezentácii mal index lomu význam konštanty média, nezávisle od intenzity svetla, ktoré ním prechádza. Takáto interpretácia indexu lomu je celkom prirodzená, avšak v prípade vysokých intenzít žiarenia, ktoré je možné dosiahnuť pomocou moderných laserov, nie je opodstatnená. Vlastnosti média, ktorým prechádza silné svetelné žiarenie, v tomto prípade závisia od jeho intenzity. Ako sa hovorí, médium sa stáva nelineárnym. Nelinearita prostredia sa prejavuje najmä tým, že svetelná vlna vysokej intenzity mení index lomu. Závislosť indexu lomu od intenzity žiarenia má tvar

Tu je obvyklý index lomu, a je nelineárny index lomu a je to faktor proporcionality. Dodatočný výraz v tomto vzorci môže byť kladný alebo záporný.

Relatívne zmeny v indexe lomu sú relatívne malé. o nelineárny index lomu. Aj takéto malé zmeny v indexe lomu sú však badateľné: prejavujú sa zvláštnym fenoménom samozaostrovania svetla.

Uvažujme o médiu s pozitívnym nelineárnym indexom lomu. V tomto prípade sú oblasti so zvýšenou intenzitou svetla súčasne oblasťami so zvýšeným indexom lomu. Zvyčajne je v reálnom laserovom žiarení rozloženie intenzity v priereze lúča nerovnomerné: intenzita je maximálna pozdĺž osi a plynulo klesá smerom k okrajom lúča, ako je znázornené na obr. 185 pevných kriviek. Podobná distribúcia popisuje aj zmenu indexu lomu na priereze bunky s nelineárnym prostredím, pozdĺž ktorej osi sa šíri laserový lúč. Index lomu, ktorý je najväčší pozdĺž osi bunky, sa smerom k jej stenám postupne znižuje (prerušované krivky na obr. 185).

Lúč lúčov vychádzajúci z lasera rovnobežne s osou, dopadajúci do prostredia s premenlivým indexom lomu, je vychýlený v smere, kde je väčší. Preto zvýšená intenzita v blízkosti bunky OSP vedie ku koncentrácii svetelných lúčov v tejto oblasti, čo je schematicky znázornené v rezoch a na obr. 185, čo vedie k ďalšiemu zvýšeniu . V konečnom dôsledku sa efektívny prierez svetelného lúča prechádzajúceho cez nelineárne médium výrazne znižuje. Svetlo prechádza akoby cez úzky kanál so zvýšeným indexom lomu. Laserový lúč sa teda zužuje a nelineárne médium pôsobí pri pôsobení intenzívneho žiarenia ako zbiehavá šošovka. Tento jav sa nazýva samozaostrovanie. Dá sa pozorovať napríklad v kvapalnom nitrobenzéne.

Ryža. 185. Rozloženie intenzity žiarenia a indexu lomu cez prierez laserového lúča na vstupe do kyvety (a), blízko vstupného konca (), v strede (), blízko výstupného konca kyvety ()

Stanovenie indexu lomu priehľadných pevných látok

A tekutiny

Nástroje a príslušenstvo: mikroskop so svetelným filtrom, planparalelná platňa so značkou AB v tvare kríža; refraktometer značky "RL"; sada tekutín.

Cieľ: určiť indexy lomu skla a kvapalín.

Stanovenie indexu lomu skla pomocou mikroskopu

Na určenie indexu lomu priehľadnej pevnej látky sa používa planparalelná doska z tohto materiálu s označením.

Značka pozostáva z dvoch vzájomne kolmých škrabancov, z ktorých jeden (A) je aplikovaný na spodok a druhý (B) - na horný povrch dosky. Platňa sa osvetlí monochromatickým svetlom a skúma sa pod mikroskopom. Na
ryža. 4.7 rez skúmanou platňou zvislou rovinou.

Lúče AD a AE po refrakcii na rozhraní sklo-vzduch idú v smere DD1 a EE1 a dopadajú do objektívu mikroskopu.

Pozorovateľ, ktorý sa pozerá na platňu zhora, vidí bod A v priesečníku pokračovania lúčov DD1 a EE1, t.j. v bode C.

Pozorovateľovi sa teda zdá bod A umiestnený v bode C. Nájdime vzťah medzi indexom lomu n materiálu dosky, hrúbkou d a zdanlivou hrúbkou d1 dosky.

4.7 je vidieť, že VD \u003d BCtgi, BD \u003d ABtgr, odkiaľ

tgi/tgr = AB/BC,

kde AB = d je hrúbka dosky; BC = d1 zdanlivá hrúbka dosky.

Ak sú uhly i a r malé, potom

Sini/Sinr = tgi/tgr, (4,5)

tie. Sini/Sinr = d/dl.

Ak vezmeme do úvahy zákon lomu svetla, získame

Meranie d/d1 sa uskutočňuje pomocou mikroskopu.

Optická schéma mikroskopu pozostáva z dvoch systémov: pozorovacieho systému, ktorý obsahuje objektív a okulár namontovaný v tubuse, a osvetľovacieho systému, ktorý pozostáva zo zrkadla a odnímateľného svetelného filtra. Zaostrovanie obrazu sa vykonáva otáčaním rukovätí umiestnených na oboch stranách tubusu.

Na osi pravej rukoväte je disk so stupnicou končatín.

Hodnota b na končatine vzhľadom na pevný ukazovateľ určuje vzdialenosť h od objektívu k stolíku mikroskopu:

Koeficient k udáva, do akej výšky sa posunie tubus mikroskopu pri otočení rukoväte o 1°.

Priemer objektívu v tomto nastavení je malý v porovnaní so vzdialenosťou h, takže najvzdialenejší lúč, ktorý vstupuje do objektívu, zviera malý uhol i s optickou osou mikroskopu.

Uhol lomu r svetla v doske je menší ako uhol i, t.j. je tiež malý, čo zodpovedá stavu (4.5).

Zákazka

1. Doštičku položte na stolík mikroskopu tak, aby bol priesečník ťahov A a B (pozri obr.

Index lomu

4.7) bol v zornom poli.

2. Otočením rukoväte zdvíhacieho mechanizmu zdvihnite trubicu do hornej polohy.

3. Pri pohľade do okuláru pomaly spúšťajte tubus mikroskopu otáčaním rukoväte, kým sa v zornom poli nezíska jasný obraz škrabanca B naneseného na hornom povrchu platne. Zaznamenajte údaj b1 končatiny, ktorý je úmerný vzdialenosti h1 od objektívu mikroskopu k hornému okraju platne: h1 = kb1 (obr.

4. Pokračujte v plynulom spúšťaní trubice, kým nezískate jasný obraz škrabanca A, ktorý sa pozorovateľovi zdá v bode C. Zaznamenajte novú indikáciu b2 limbu. Vzdialenosť h1 od objektívu k hornému povrchu platne je úmerná b2:
h2 = kb2 (obr. 4.8, b).

Vzdialenosti od bodov B a C k šošovke sú rovnaké, pretože pozorovateľ ich vidí rovnako jasne.

Posun rúrky h1-h2 sa rovná zdanlivej hrúbke dosky (obr.

d1 = h1-h2 = (bl-b2)k. (4,8)

5. Zmerajte hrúbku dosky d v priesečníku ťahov. Za týmto účelom umiestnite pomocnú sklenenú doštičku 2 pod testovaciu doštičku 1 (obr. 4.9) a spustite tubus mikroskopu, kým sa šošovka (mierne) nedotkne testovacej dosky. Všimnite si označenie končatiny a1. Vyberte skúmanú platňu a sklopte trubicu mikroskopu, kým sa objektív nedotkne platne 2.

Označenie poznámky a2.

Objektív mikroskopu zároveň klesne do výšky rovnajúcej sa hrúbke skúmanej platne, t.j.

d = (al-a2)k. (4.9)

6. Vypočítajte index lomu materiálu dosky pomocou vzorca

n = d/dl = (al-a2)/(bl-b2). (4.10)

7. Všetky vyššie uvedené merania zopakujte 3-5 krát, vypočítajte priemernú hodnotu n, absolútne a relatívne chyby rn a rn/n.

Stanovenie indexu lomu kvapalín pomocou refraktometra

Prístroje, ktoré sa používajú na stanovenie indexov lomu, sa nazývajú refraktometre.

Celkový pohľad a optická schéma RL refraktometra sú znázornené na obr. 4.10 a 4.11.

Meranie indexu lomu kvapalín pomocou RL refraktometra je založené na fenoméne lomu svetla, ktoré prešlo rozhraním medzi dvoma médiami s rôznymi indexmi lomu.

Svetelný lúč (obr.

4.11) zo zdroja 1 (žiarovka alebo rozptýlené denné svetlo) pomocou zrkadla 2 smeruje cez okienko v kryte prístroja na dvojitý hranol pozostávajúci z hranolov 3 a 4, ktoré sú vyrobené zo skla s indexom lomu z 1,540.

Povrch AA horného osvetľovacieho hranola 3 (obr.

4.12, a) je matný a slúži na osvetlenie kvapaliny rozptýleným svetlom uloženým v tenkej vrstve v medzere medzi hranolmi 3 a 4. Svetlo rozptýlené matným povrchom 3 prechádza cez planparalelnú vrstvu skúmanej kvapaliny a dopadá na diagonálnu plochu trhaviny spodného hranolu 4 pod rozdielne
uhly i sa pohybujú od nuly do 90°.

Aby sa predišlo javu úplného vnútorného odrazu svetla na povrchu výbušniny, index lomu skúmanej kvapaliny by mal byť menší ako index lomu skla hranolu 4, t.j.

menej ako 1 540.

Lúč svetla s uhlom dopadu 90° sa nazýva kĺzavý lúč.

Klzný lúč, lámaný na rozhraní tekutého skla, pôjde v hranole 4 pri hraničnom uhle lomu r atď< 90о.

Lom klzného lúča v bode D (pozri obrázok 4.12, a) sa riadi zákonom

nst / nzh \u003d sinipr / sinrpr (4.11)

alebo nzh = nstsinrpr, (4.12)

keďže sinipr = 1.

Na povrchu BC hranola 4 sa svetelné lúče znovu lámu a potom

Sini¢pr/sinr¢pr = 1/ nst, (4,13)

r¢pr+i¢pr = i¢pr =a , (4.14)

kde a je lom lúča hranola 4.

Spoločným riešením systému rovníc (4.12), (4.13), (4.14) môžeme získať vzorec, ktorý spája index lomu nzh skúmanej kvapaliny s hraničným uhlom lomu r'pr lúča, ktorý vychádza z hranol 4:

Ak je ďalekohľad umiestnený v dráhe lúčov vychádzajúcich z hranola 4, potom bude spodná časť jeho zorného poľa osvetlená a horná časť tmavá. Rozhranie medzi svetlým a tmavým poľom tvoria lúče s limitným uhlom lomu r¢pr. V tomto systéme nie sú žiadne lúče s uhlom lomu menším ako r¢pr (obr.

Hodnota r¢pr a poloha hranice šerosvitu teda závisia iba od indexu lomu nzh skúmanej kvapaliny, pretože nst a a sú v tomto zariadení konštantné hodnoty.

Keď poznáme nst, a a r¢pr, je možné vypočítať nzh pomocou vzorca (4.15). V praxi sa na kalibráciu stupnice refraktometra používa vzorec (4.15).

Na stupnici 9 (pozri

ryža. 4.11), hodnoty indexu lomu pre ld = 5893 Å sú vynesené vľavo. Pred okulárom 10 - 11 je doštička 8 so značkou (--).

Pohybom okuláru spolu s platňou 8 pozdĺž stupnice je možné dosiahnuť zarovnanie značky s deliacou čiarou medzi tmavým a svetlým zorným poľom.

Delenie stupnice 9, ktoré sa zhoduje so značkou, udáva hodnotu indexu lomu nzh skúmanej kvapaliny. Objektív 6 a okulár 10-11 tvoria ďalekohľad.

Rotačný hranol 7 mení priebeh lúča a smeruje ho do okuláru.

V dôsledku rozptylu skla a skúmanej kvapaliny sa namiesto jasnej deliacej čiary medzi tmavými a jasnými poľami pri pozorovaní v bielom svetle získa dúhový pruh. Aby sa eliminoval tento efekt, je disperzný kompenzátor 5 inštalovaný pred šošovkou ďalekohľadu. Hlavnou časťou kompenzátora je hranol, ktorý je zlepený z troch hranolov a môže sa otáčať voči osi ďalekohľadu.

Uhly lomu hranola a ich materiál sú zvolené tak, aby cez ne prešlo žlté svetlo s vlnovou dĺžkou ld = 5893 Å bez lomu. Ak je na dráhe farebných lúčov nainštalovaný kompenzačný hranol tak, že jeho rozptyl je rovnaký čo do veľkosti, ale opačného znamienka ako rozptyl meracieho hranola a kvapaliny, potom bude celkový rozptyl rovný nule. V tomto prípade sa lúč svetelných lúčov zhromažďuje do bieleho lúča, ktorého smer sa zhoduje so smerom obmedzujúceho žltého lúča.

Pri rotácii kompenzačného hranolu teda odpadá farba farebného odtieňa. Spolu s hranolom 5 sa rozptyľovacie rameno 12 otáča vzhľadom na pevný ukazovateľ (pozri obr. 4.10). Uhol natočenia Z končatiny umožňuje posúdiť hodnotu priemerného rozptylu skúmanej kvapaliny.

Stupnica číselníka musí byť odstupňovaná. Rozvrh je priložený k inštalácii.

Zákazka

1. Zdvihnite hranol 3, kvapnite 2-3 kvapky testovacej kvapaliny na povrch hranola 4 a spustite hranol 3 (pozri obr. 4.10).

3. Pomocou očného zamerania dosiahnete ostrý obraz mierky a rozhrania medzi zornými poľami.

4. Otočením rukoväte 12 kompenzátora 5 zničte farebné sfarbenie rozhrania medzi zornými poľami.

Pohybom okuláru pozdĺž stupnice zarovnajte značku (—-) s okrajom tmavého a svetlého poľa a zaznamenajte hodnotu kvapalinového indexu.

6. Preskúmajte navrhovaný súbor kvapalín a vyhodnoťte chybu merania.

7. Po každom meraní utrieme povrch hranolov filtračným papierom namočeným v destilovanej vode.

testovacie otázky

možnosť 1

Definujte absolútne a relatívne indexy lomu média.

2. Nakreslite cestu lúčov cez rozhranie dvoch médií (n2> n1, an2< n1).

3. Získajte vzťah, ktorý spája index lomu n s hrúbkou da zdanlivou hrúbkou d¢ platne.

4. Úloha. Hraničný uhol celkového vnútorného odrazu pre niektoré látky je 30°.

Nájdite index lomu tejto látky.

Odpoveď: n=2.

Možnosť 2

1. Čo je fenomén totálnej vnútornej reflexie?

2. Popíšte konštrukciu a princíp činnosti refraktometra RL-2.

3. Vysvetlite úlohu kompenzátora v refraktometri.

4. Úloha. Žiarovka sa spúšťa zo stredu okrúhlej plte do hĺbky 10 m. Nájdite minimálny polomer plte, pričom na hladinu by sa nemal dostať ani jeden lúč zo žiarovky.

Odpoveď: R = 11,3 m.

INDEX LOMU, alebo REFRAKČNÝ KOEFICIENT, je abstraktné číslo charakterizujúce refrakčnú silu priehľadného média. Index lomu sa označuje latinským písmenom π a je definovaný ako pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu lúča vstupujúceho z dutiny do daného priehľadného prostredia:

n = sin α/sin β = konštanta alebo ako pomer rýchlosti svetla v dutine k rýchlosti svetla v danom priehľadnom prostredí: n = c/νλ z dutiny do daného priehľadného prostredia.

Index lomu sa považuje za mieru optickej hustoty média

Takto stanovený index lomu sa nazýva absolútny index lomu, na rozdiel od relatívneho indexu lomu.

e) ukazuje, koľkokrát sa rýchlosť šírenia svetla spomalí pri prechode jeho indexu lomu, ktorý je určený pomerom sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu pri prechode lúča z prostredia jednej hustoty na médium inej hustoty. Relatívny index lomu sa rovná pomeru absolútnych indexov lomu: n = n2/n1, kde n1 a n2 sú absolútne indexy lomu prvého a druhého prostredia.

Absolútny index lomu všetkých telies - pevných, kvapalných a plynných - je väčší ako jedna a pohybuje sa od 1 do 2, pričom hodnotu 2 prekračuje len v ojedinelých prípadoch.

Index lomu závisí tak od vlastností prostredia, ako aj od vlnovej dĺžky svetla a zvyšuje sa s klesajúcou vlnovou dĺžkou.

Preto je písmenu p priradený index, ktorý označuje vlnovú dĺžku, na ktorú sa indikátor vzťahuje.

INDEX LOMU

Napríklad pre sklo TF-1 je index lomu v červenej časti spektra nC=1,64210 a vo fialovej časti nG'=1,67298.

Indexy lomu niektorých priehľadných telies

Vzduch - 1,000292

Voda - 1 334

Éter - 1 358

Etylalkohol - 1,363

Glycerín - 1,473

Organické sklo (plexisklo) - 1, 49

Benzén - 1,503

(Korunové sklo - 1,5163

Jedľa (kanadská), balzam 1,54

Ťažké korunkové sklo - 1, 61 26

Flintové sklo - 1,6164

Sirouhlík - 1,629

Ťažký sklenený kameň - 1, 64 75

Monobromonaftalén - 1,66

Sklo je najťažšie kremeň - 1,92

Diamant - 2,42

Rozdiel v indexe lomu pre rôzne časti spektra je príčinou chromatizmu, t.j.

rozklad bieleho svetla pri prechode cez lámavé časti - šošovky, hranoly a pod.

Laboratórium č. 41

Stanovenie indexu lomu kvapalín pomocou refraktometra

Účel práce: stanovenie indexu lomu kvapalín metódou úplného vnútorného odrazu pomocou refraktometra IRF-454B; štúdium závislosti indexu lomu roztoku od jeho koncentrácie.

Popis inštalácie

Keď sa nemonochromatické svetlo láme, rozkladá sa na zložkové farby do spektra.

Tento jav je spôsobený závislosťou indexu lomu látky od frekvencie (vlnovej dĺžky) svetla a nazýva sa disperzia svetla.

Je obvyklé charakterizovať refrakčnú silu média indexom lomu pri vlnovej dĺžke λ \u003d 589,3 nm (priemer vlnových dĺžok dvoch blízkych žltých čiar v spektre sodíkových pár).

60. Aké metódy na stanovenie koncentrácie látok v roztoku sa používajú pri atómovej absorpčnej analýze?

Tento index lomu je označený nD.

Mierou rozptylu je priemerný rozptyl, definovaný ako rozdiel ( nF-nC), kde nF je index lomu látky pri vlnovej dĺžke λ = 486,1 nm (modrá čiara vo vodíkovom spektre), nC je index lomu látky λ - 656,3 nm (červená čiara v spektre vodíka).

Lom látky je charakterizovaný hodnotou relatívnej disperzie:
Príručky zvyčajne uvádzajú prevrátenú hodnotu relatívneho rozptylu, t.j.

e.
,kde je disperzný koeficient alebo Abbeho číslo.

Prístroj na stanovenie indexu lomu kvapalín pozostáva z refraktometra IRF-454B s limitmi merania indikátora; lom nD v rozsahu od 1,2 do 1,7; testovacia kvapalina, obrúsky na utieranie povrchov hranolov.

Refraktometer IRF-454B je testovací prístroj určený na priame meranie indexu lomu kvapalín, ako aj na stanovenie priemernej disperzie kvapalín v laboratóriu.

Princíp činnosti zariadenia IRF-454B založené na fenoméne úplného vnútorného odrazu svetla.

Schematický diagram zariadenia je znázornený na obr. jeden.

Skúmaná kvapalina sa umiestni medzi dve strany hranola 1 a 2. Hranol 2 s dobre vyleštenou stranou AB meria a hranol 1 má matnú plochu ALE1 AT1 - osvetlenie. Lúče zo zdroja svetla dopadajú na okraj ALE1 S1 , lámať, spadnúť na matný povrch ALE1 AT1 a rozptýlené týmto povrchom.

Potom prechádzajú cez vrstvu skúmanej kvapaliny a padajú na povrch. AB hranol 2.

Podľa zákona lomu
, kde
a sú uhly lomu lúčov v kvapaline a hranole.

So zvyšujúcim sa uhlom dopadu
uhol lomu sa tiež zvyšuje a dosahuje svoju maximálnu hodnotu
, kedy
, t.

keď lúč v kvapaline kĺže po povrchu AB. teda
. Lúče vychádzajúce z hranola 2 sú teda obmedzené do určitého uhla
.

Lúče prichádzajúce z kvapaliny do hranola 2 pod veľkými uhlami podliehajú úplnému vnútornému odrazu na rozhraní AB a neprechádzajú cez hranol.

Uvažované zariadenie sa používa na štúdium kvapalín, indexu lomu čo je menej ako index lomu hranol 2 teda do hranola vstúpia lúče všetkých smerov, lámané na hranici kvapaliny a skla.

Je zrejmé, že časť hranola zodpovedajúca neprepusteným lúčom bude stmavená. V ďalekohľade 4 umiestnenom na dráhe lúčov vystupujúcich z hranola možno pozorovať rozdelenie zorného poľa na svetlé a tmavé časti.

Otočením sústavy hranolov 1-2 sa spája hranica medzi svetlým a tmavým poľom s krížom závitov okuláru ďalekohľadu. Systém hranolov 1-2 je spojený so stupnicou, ktorá je kalibrovaná v hodnotách indexu lomu.

Stupnica je umiestnená v spodnej časti zorného poľa potrubia a pri spojení rezu zorného poľa s krížom závitov udáva zodpovedajúcu hodnotu indexu lomu kvapaliny. .

Vplyvom rozptylu bude rozhranie zorného poľa v bielom svetle zafarbené. Na elimináciu zafarbenia, ako aj na stanovenie priemernej disperzie testovanej látky sa používa kompenzátor 3, pozostávajúci z dvoch systémov lepených hranolov s priamym pohľadom (Amiciho ​​hranoly).

Hranoly je možné pomocou presného rotačného mechanického zariadenia súčasne otáčať rôznymi smermi, čím sa mení vlastná disperzia kompenzátora a eliminuje sa zafarbenie zorného poľa pozorovaného cez optickú sústavu 4. Ku kompenzátoru je pripojený bubon so stupnicou. , ktorý určuje disperzný parameter, ktorý umožňuje vypočítať priemerné disperzné látky.

Zákazka

Zariadenie nastavte tak, aby svetlo zo zdroja (žiarovky) vstupovalo do osvetľovacieho hranola a rovnomerne osvetľovalo zorné pole.

2. Otvorte merací hranol.

Sklenenou tyčinkou naneste na jej povrch niekoľko kvapiek vody a hranol opatrne zatvorte. Medzeru medzi hranolmi treba rovnomerne vyplniť tenkou vrstvou vody (na tú si dávajte obzvlášť pozor).

Pomocou skrutky prístroja so stupnicou odstráňte zafarbenie zorného poľa a získajte ostrú hranicu medzi svetlom a tieňom. Zarovnajte ho pomocou ďalšej skrutky s referenčným krížom okuláru prístroja. Určte index lomu vody na stupnici okuláru s presnosťou na tisícinu.

Porovnajte získané výsledky s referenčnými údajmi pre vodu. Ak rozdiel medzi nameraným a tabuľkovým indexom lomu nepresiahne ± 0,001, tak meranie prebehlo správne.

Cvičenie 1

1. Pripravte si roztok kuchynskej soli ( NaCl) s koncentráciou blízkou limitu rozpustnosti (napríklad C = 200 g/liter).

Zmerajte index lomu výsledného roztoku.

3. Zriedením roztoku o celé číslo získajte závislosť indikátora; refrakcia od koncentrácie roztoku a vyplňte tabuľku. jeden.

stôl 1

Cvičenie. Ako dosiahnuť iba zriedením koncentráciu roztoku rovnajúcu sa 3/4 maximálnej (počiatočnej)?

Nakreslite graf závislosti n=n(C). Ďalšie spracovanie experimentálnych údajov by sa malo vykonávať podľa pokynov učiteľa.

Spracovanie experimentálnych údajov

a) Grafická metóda

Z grafu určite sklon AT, ktorý za podmienok experimentu bude charakterizovať rozpustenú látku a rozpúšťadlo.

2. Určte koncentráciu roztoku pomocou grafu NaCl podáva laborant.

b) Analytická metóda

Vypočítajte podľa najmenších štvorcov ALE, AT a SB.

Podľa zistených hodnôt ALE a AT určiť priemer
koncentrácia roztoku NaCl podáva laborant

testovacie otázky

rozptyl svetla. Aký je rozdiel medzi normálnou a abnormálnou disperziou?

2. Čo je to fenomén totálnej vnútornej reflexie?

3. Prečo nie je možné zmerať index lomu kvapaliny väčší ako index lomu hranolu pomocou tohto nastavenia?

4. Prečo tvár hranola ALE1 AT1 urobiť matným?

Degradácia, Index

Psychologická encyklopédia

Spôsob, ako posúdiť stupeň duševnej degradácie! funkcie merané testom Wexler-Bellevue. Index je založený na pozorovaní, že úroveň rozvoja niektorých schopností, meraná testom, s vekom klesá, zatiaľ čo iné nie.

Index

Psychologická encyklopédia

- index, menný register, tituly a pod.V psychológii - digitálny ukazovateľ na kvantifikáciu, charakterizáciu javov.

Od čoho závisí index lomu látky?

Index

Psychologická encyklopédia

1. Najvšeobecnejší význam: čokoľvek používané na označenie, identifikáciu alebo nasmerovanie; označenie, nápisy, znaky alebo symboly. 2. Vzorec alebo číslo, často vyjadrené ako faktor, ukazujúce nejaký vzťah medzi hodnotami alebo meraniami, alebo medzi…

Sociabilita, Index

Psychologická encyklopédia

Charakteristika, ktorá vyjadruje spoločenskosť človeka. Sociogram napríklad poskytuje okrem iných meraní hodnotenie sociability rôznych členov skupiny.

Výber, Index

Psychologická encyklopédia

Vzorec na vyhodnotenie sily konkrétneho testu alebo testovanej položky pri rozlišovaní jednotlivcov od seba.

Spoľahlivosť, Index

Psychologická encyklopédia

Štatistika, ktorá poskytuje odhad korelácie medzi skutočnými hodnotami získanými z testu a teoreticky správnymi hodnotami.

Tento index je daný ako hodnota r, kde r je vypočítaný bezpečnostný faktor.

Účinnosť prognózovania, index

Psychologická encyklopédia

Miera rozsahu, v akom možno znalosti o jednej premennej použiť na predpovede o inej premennej, ak je známa korelácia týchto premenných. Zvyčajne v symbolickej forme je to vyjadrené ako E, index je reprezentovaný ako 1 - ((...

Slová, index

Psychologická encyklopédia

Všeobecný termín pre akúkoľvek systematickú frekvenciu výskytu slov v písanom a/alebo hovorenom jazyku.

Takéto indexy sú často obmedzené na špecifické jazykové oblasti, napr. učebnice prvého ročníka, interakcie medzi rodičmi a deťmi. Známe sú však odhady...

Štruktúra tela, index

Psychologická encyklopédia

Meranie tela navrhnuté Eysenckom na základe pomeru výšky k obvodu hrudníka.

Tí, ktorých skóre sa nachádzalo v "normálnom" rozsahu, sa nazývali mezomorfy, tí v rámci štandardnej odchýlky alebo nad priemerom sa nazývali leptomorfy a tí v rámci štandardnej odchýlky alebo...

NA PREDNÁŠKU №24

"INSTRUMENTÁLNE METÓDY ANALÝZY"

REFRAKTOMETRIA.

Literatúra:

1. V.D. Ponomarev "Analytická chémia" 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko "Analytická chémia" 2004, s. 181-184

REFRAKTOMETRIA.

Refraktometria je jednou z najjednoduchších fyzikálnych metód analýzy, ktorá vyžaduje minimálne množstvo analytu a vykonáva sa vo veľmi krátkom čase.

Refraktometria- metóda založená na fenoméne lomu alebo lomu t.j.

zmena smeru šírenia svetla pri prechode z jedného prostredia do druhého.

Lom svetla, ako aj absorpcia svetla, je dôsledkom jeho interakcie s prostredím.

Slovo refraktometria znamená meranie lom svetla, ktorý sa odhaduje hodnotou indexu lomu.

Hodnota indexu lomu n závisí

1) o zložení látok a systémov,

2) od pri akej koncentrácii a s akými molekulami sa svetelný lúč na svojej ceste stretáva, pretože

Pôsobením svetla sa molekuly rôznych látok polarizujú rôznymi spôsobmi. Práve na tejto závislosti je založená refraktometrická metóda.

Táto metóda má množstvo výhod, v dôsledku ktorých našla široké uplatnenie ako v chemickom výskume, tak aj pri riadení technologických procesov.

1) Meranie indexov lomu je veľmi jednoduchý proces, ktorý sa vykonáva presne a s minimálnymi investíciami času a množstva látky.

2) Refraktometre zvyčajne poskytujú až 10% presnosť pri určovaní indexu lomu svetla a obsahu analytu

Metóda refraktometrie sa používa na kontrolu pravosti a čistoty, na identifikáciu jednotlivých látok, na stanovenie štruktúry organických a anorganických zlúčenín pri štúdiu roztokov.

Refaktometria sa používa na stanovenie zloženia dvojzložkových roztokov a pre ternárne systémy.

Fyzikálny základ metódy

REFRAKTÍVNY INDIKÁTOR.

Odchýlka svetelného lúča od jeho pôvodného smeru pri prechode z jedného prostredia do druhého je tým väčšia, čím väčší je rozdiel v rýchlostiach šírenia svetla v dvoch

tieto prostredia.

Zvážte lom svetelného lúča na hranici dvoch priehľadných médií I a II (pozri obr.

Ryža.). Súhlasme s tým, že médium II má väčšiu refrakčnú silu, a preto n1 a n2- ukazuje lom odpovedajúceho média. Ak médiom I nie je vákuum ani vzduch, potom pomer sin uhla dopadu svetelného lúča k sin uhla lomu dá hodnotu relatívneho indexu lomu n rel. Hodnota n rel.

Aký je index lomu skla? A kedy je to potrebné vedieť?

možno definovať aj ako pomer indexov lomu uvažovaného média.

nrel. = —— = —

Hodnota indexu lomu závisí od

1) povaha látok

Povaha látky je v tomto prípade určená mierou deformovateľnosti jej molekúl pôsobením svetla – mierou polarizovateľnosti.

Čím intenzívnejšia je polarizácia, tým silnejší je lom svetla.

2)vlnová dĺžka dopadajúceho svetla

Meranie indexu lomu sa uskutočňuje pri vlnovej dĺžke svetla 589,3 nm (čiara D sodíkového spektra).

Závislosť indexu lomu na vlnovej dĺžke svetla sa nazýva disperzia.

Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým je lom väčší. Preto sa lúče rôznych vlnových dĺžok lámu rôzne.

3)teplota pri ktorom sa meranie vykonáva. Predpokladom na určenie indexu lomu je dodržiavanie teplotného režimu. Typicky sa stanovenie uskutočňuje pri 20 ± 0,3 °C.

So stúpajúcou teplotou index lomu klesá a so znižovaním teploty sa zvyšuje..

Korekcia teploty sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:

nt=n20+ (20-t) 0,0002, kde

nt- Zbohom index lomu pri danej teplote,

n20 - index lomu pri 200C

Vplyv teploty na hodnoty indexov lomu plynov a kvapalín súvisí s hodnotami ich koeficientov objemovej rozťažnosti.

Objem všetkých plynov a kvapalín sa pri zahrievaní zvyšuje, hustota klesá a v dôsledku toho sa indikátor znižuje

Index lomu meraný pri 200 °C a vlnovej dĺžke svetla 589,3 nm je označený indexom nD20

Závislosť indexu lomu homogénneho dvojzložkového systému od jeho stavu sa stanoví experimentálne stanovením indexu lomu pre množstvo štandardných systémov (napríklad roztokov), ktorých obsah zložiek je známy.

4) koncentrácia látky v roztoku.

Pre mnohé vodné roztoky látok boli spoľahlivo zmerané indexy lomu pri rôznych koncentráciách a teplotách a v týchto prípadoch je možné použiť referenčné údaje. refraktometrické tabuľky.

Prax ukazuje, že keď obsah rozpustenej látky nepresahuje 10-20%, spolu s grafickou metódou je v mnohých prípadoch možné použiť lineárna rovnica ako:

n=nie+FC,

n- index lomu roztoku,

č je index lomu čistého rozpúšťadla,

C— koncentrácia rozpustenej látky, %

F-empirický koeficient, ktorého hodnota sa zistí

stanovením indexov lomu roztokov známej koncentrácie.

REFRAKTOMETRE.

Refraktometre sú zariadenia používané na meranie indexu lomu.

Existujú 2 typy týchto prístrojov: refraktometer typu Abbe a typ Pulfrich. V týchto aj v iných sú merania založené na určení veľkosti medzného uhla lomu. V praxi sa používajú refraktometre rôznych systémov: laboratórne-RL, univerzálne RLU atď.

Index lomu destilovanej vody n0 = 1,33299, v praxi sa tento ukazovateľ považuje za referenčný ako n0 =1,333.

Princíp činnosti na refraktometroch je založený na stanovení indexu lomu metódou limitného uhla (uhol úplného odrazu svetla).

Ručný refraktometer

Refraktometer Abbe