Показатель преломления n. Закон преломления света. Методические материалы. Прогнозирования Эффективности, Индекс
Преломления называют некое отвлеченное число, которое характеризует преломляющую способность какой-либо прозрачной среды. Обозначать ее принято n. Различают абсолютный показатель преломления и коэффициент относительный.
Первый рассчитывается по одной из двух формул:
n = sin α / sin β = const (где sin α - синус угла падения, а sin β - синус луча света, входящего в рассматриваемую среду из пустоты)
n = c / υ λ (где с - скорость света в пустоте, υ λ - скорость света в исследуемой среде).
Здесь расчет показывает, во сколько раз свет изменяет скорость своего распространения в момент перехода из вакуума в прозрачную среду. Таким образом определяется показатель преломления (абсолютный). Для того чтобы узнать относительный, используют формулу:
То есть при этом рассматриваются абсолютные показатели преломления веществ разной плотности, например воздуха и стекла.
Если говорить в общем, то абсолютные коэффициенты любых тел, будь то газообразных, жидких или твердых, всегда больше 1. В основном их значения колеблются от 1 до 2. Выше 2 эта величина может быть только в исключительных случаях. Значение данного параметра для некоторых сред:
Эта величина в применении к самому твердому природному веществу на планете, алмазу, составляет 2,42. Очень часто при проведении научных изысканий и т. д. требуется знать показатель преломления воды. Этот параметр составляет 1,334.
Поскольку длина волны - показатель, разумеется, непостоянный, к букве n приписывается индекс. Его значение и помогает понять, к какой волне спектра данный коэффициент относится. При рассмотрении одного и того же вещества, но с увеличением длины световой волны, показатель преломления будет уменьшаться. Этим обстоятельством и вызвано разложение света на спектр при прохождении через линзу, призму и т. д.
По величине коэффициента преломления можно определить, к примеру, сколько одного вещества растворено в другом. Это бывает полезным, допустим, в пивоварении или когда необходимо узнать концентрацию сахара, фруктов или ягод в соке. Данный показатель важен и при определении качества нефтепродуктов, и в ювелирном деле, когда нужно доказать подлинность камня и т. д.
Без использования какого-либо вещества шкала, видимая в окуляре прибора, будет полностью окрашена в голубой цвет. Если капнуть на призму обычной дистиллированной воды, при правильной калибровке инструмента граница синего и белого цветов будет проходить строго по нулевой отметке. При исследовании другого вещества она сместится по шкале согласно тому, какой показатель преломления ему свойственен.
Обратимся к более подробному рассмотрению показателя преломления, введенного нами в §81 при формулировке закона преломления.
Показатель преломления зависит от оптических свойств и той среды, из которой луч падает, и той среды, в которую он проникает. Показатель преломления, полученный в том случае, когда свет из вакуума падает на какую-либо среду, называется абсолютным показателем преломления данной среды.
Рис. 184. Относительный показатель преломления двух сред:
Пусть абсолютный показатель преломления первой среды есть а второй среды - . Рассматривая преломление на границе первой и второй сред, убедимся, что показатель преломления при переходе из первой среды во вторую, так называемый относительный показатель преломления, равен отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред:
(рис. 184). Наоборот, при переходе из второй среды в первую имеем относительный показатель преломления
Установленная связь между относительным показателем преломления двух сред и их абсолютными показателями преломления могла бы быть выведена и теоретическим путем, без новых опытов, подобно тому, как это можно сделать для закона обратимости (§82),
Среда, обладающая большим показателем преломления, называется оптически более плотной. Обычно измеряется показатель преломления различных сред относительно воздуха. Абсолютный показатель преломления воздуха равен . Таким образом, абсолютный показатель преломления какой-либо среды связан с ее показателем преломления относительно воздуха формулой
Таблица 6. Показатель преломления различных веществ относительно воздуха
Показатель преломления зависит от длины волны света, т. е. от его цвета. Различным цветам соответствуют различные показатели преломления. Это явление, называемое дисперсией, играет важную роль в оптике. Мы неоднократно будем иметь дело с этим явлением в последующих главах. Данные, приведенные в табл. 6, относятся к желтому свету.
Интересно отметить, что закон отражения может быть формально записан в том же виде, что и закон преломления. Вспомним, что мы условились всегда измерять углы от перпендикуляра к соответствующему лучу. Следовательно, мы должны считать угол падения и угол отражения имеющими противоположные знаки, т.е. закон отражения можно записать в виде
Сравнивая (83.4) с законом преломления, мы видим, что закон отражения можно рассматривать как частный случай закона преломления при . Это формальное сходство законов отражения и преломления приносит большую пользу при решении практических задач.
В предыдущем изложении показатель преломления имел смысл константы среды, не зависящей от интенсивности проходящего через нее света. Такое истолкование показателя преломления вполне естественно, однако в случае больших интенсивностей излучения, достижимых при использовании современных лазеров, оно не оправдывается. Свойства среды, через которую проходит сильное световое излучение, в этом случае зависят от его интенсивности. Как говорят, среда становится нелинейной. Нелинейность среды проявляется, в частности, в том, что световая волна большой интенсивности изменяет показатель преломления. Зависимость показателя преломления от интенсивности излучения имеет вид
Здесь - обычный показатель преломления, а - нелинейный показатель преломления, - множитель пропорциональности. Добавочный член в этой формуле может быть как положительным, так и отрицательным.
Относительные изменения показателя преломления сравнительно невелики. При 
нелинейный показатель преломления . Однако даже такие небольшие изменения показателя преломления ощутимы: они проявляются в своеобразном явлении самофокусировки света.
Рассмотрим среду с положительным нелинейным показателем преломления. В этом случае области повышенной интенсивности света являются одновременной областями увеличенного показателя преломления. Обычно в реальном лазерном излучении распределение интенсивности по сечению пучка лучей неоднородно: интенсивность максимальна по оси и плавно спадает к краям пучка, как это показано на рис. 185 сплошными кривыми. Подобное распределение описывает также изменение показателя преломления по сечению кюветы с нелинейной средой, вдоль оси которой распространяется лазерный луч. Показатель преломления, наибольший по оси кюветы, плавно спадает к ее стенкам (штриховые кривые на рис. 185).
Пучок лучей, выходящий из лазера параллельно оси, попадая в среду с переменным показателем преломления , отклоняется в ту сторону, где больше. Поэтому повышенная интенсивность вблизи осп кюветы приводит к концентрации световых лучей в этой области, показанной схематически в сечениях и на рис. 185, а это приводит к дальнейшему возрастанию . В конечном итоге эффективное сечение светового пучка, проходящего через нелинейную среду, существенно уменьшается. Свет проходит как бы по узкому каналу с повышенным показателем преломления. Таким образом, лазерный пучок лучей сужается, нелинейная среда под действием интенсивного излучения действует как собирающая линза. Это явление носит название самофокусировки. Его можно наблюдать, например, в жидком нитробензоле.
Рис. 185. Распределение интенсивности излучения и показателя преломления по сечению лазерного пучка лучей на входе в кювету (а), вблизи входного торца (), в середине (), вблизи выходного торца кюветы ()
Определение показателя преломления прозрачных твердых тел
И жидкостей
Приборы и принадлежности : микроскоп со светофильтром, плоскопараллельная пластинка с меткой АВ в виде креста; рефрактометр марки «РЛ»; набор жидкостей.
Цель работы: определить показатели преломления стекла и жидкостей.
Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа
Для определения показателя преломления прозрачного твердого тела применяется плоскопараллельная пластинка, изготовленная из этого материала, с меткой.
Метка представляет собой две взаимно перпендикулярные царапины, одна из которых (А) нанесена на нижнюю, а вторая (В) — на верхнюю поверхность пластинки. Пластинка освещается монохроматическим светом и рассматривается в микроскоп. На
рис. 4.7 представлено сечение исследуемой пластинки вертикальной плоскостью.
Лучи АД и АЕ после преломления на границе стекло – воздух идут по направлениям ДД1 и ЕЕ1 и попадают в объектив микроскопа.
Наблюдатель, который смотрит на пластину сверху, видит точку А на пересечении продолжения лучей ДД1 и ЕЕ1, т.е. в точке С.
Таким образом, точка А кажется наблюдателю расположенной в точке С. Найдем связь между пока-зателем преломления n материала пластинки, толщиной d и кажущейся толщиной d1 пластинки.
4.7 видно, что ВД = ВСtgi, BD = АВtgr, откуда
tgi/tgr = AB/BC,
где AB = d – толщина пластинки; ВС = d1 кажущаяся толщина пластинки.
Если углы i и r малые, то
Sini/Sinr = tgi/tgr, (4.5)
т.е. Sini/Sinr = d/d1.
Учитывая закон преломления света, получим
Измерение d/d1 производится с помощью микроскопа.
Оптическая схема микроскопа состоит из двух систем: наблюдательной, в которую входят объектив и окуляр, вмонтированные в тубус, и осветительной, состоящей из зеркала и съемного светофильтра. Фокусировка изображения проводится вращением рукояток, расположенных по обе сто-роны от тубуса.
На оси правой рукоятки укреплен диск со шкалой лимб.
Отсчет b по лимбу относительно неподвижного указателя определяет расстояние h от объектива до предметного столика микроскопа:
Коэффициент k указывает, на какую высоту смещается тубус микроскопа при повороте рукоятки на 1°.
Диаметр объектива в данной установке мал по сравнению с расстоянием h, поэтому крайний луч, который попадает в объектив, образует малый угол i с оптической осью микроскопа.
Угол преломления r света в пластинке меньше, чем угол i ,т.е. тоже мал, что соответствует условию (4.5).
Порядок выполнения работы
1. Положить пластинку на предметный столик микроскопа так, чтобы точка пересечения штрихов А и В (см. рис.
Показатель преломления
4.7) находилась в поле зрения.
2. Вращая рукоятку подъемного механизма, поднять тубус в верхнее положение.
3. Глядя в окуляр, вращением рукоятки опускать тубус микроскопа плавно до тех пор, пока в поле зрения не получится четкое изображение царапины В, нанесенной на верхнюю поверхность пластинки. Записать показание b1 лимба, которое пропорционально расстоянию h1 от объектива микроскопа до верхней грани пластинки: h1 = kb1 (рис.
4. Продолжить опускание тубуса плавно до тех пор, пока не получится четкое изображение царапины А, которая кажется наблюдателю расположенной в точке С. Записать новое показание b2 лимба. Расстояние h1 от объектива до верхней поверхности пластинки пропорционально b2:
h2 = kb2 (рис. 4.8, б).
Расстояния от точек В и С до объектива равны, так как наблюдатель видит их одинаково четко.
Смещение тубуса h1-h2 равно кажущейся толщине пластинки (рис.
d1 = h1-h2 = (b1-b2)k. (4.8)
5. Измерить толщину пластинки d в месте пересечения штрихов. Для этого под исследуемую пластинку 1 (рис. 4.9) поместить вспомогательную стеклянную пластинку 2 и опускать тубус микроскопа до тех пор, пока объектив не коснется (слегка) исследуемой пластинки. Заметить показание лимба a1 . Снять иссле-дуемую пластинку и опускать тубус микроскопа до тех пор, пока объектив не коснется пластинки 2.
Заметить показание a2.
Объектив микроскопа опустится при этом на высоту, равную толщине исследуемой пластинки, т.е.
d = (a1-a2)k. (4.9)
6. Вычислить показатель преломления материала пластинки по формуле
n = d/d1 = (a1-a2)/(b1-b2). (4.10)
7. Повторить все указанные выше измерения 3 — 5 раз, вычислить среднее значение n, абсолютную и относительную погрешности rn и rn/n.
Определение показателя преломления жидкостей при помощи рефрактометра
Приборы, которые служат для определения показателей преломления, называются рефрактометрами.
Общий вид и оптическая схема рефрактометра РЛ показаны на рис. 4.10 и 4.11.
Измерение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра РЛ основано на явлении преломления света, прошедшего через границу раздела двух сред с разными показателями преломления.
Световой пучок (рис.
4.11) от источника 1 (лампа накаливания или дневной рассеянный свет) с помощью зеркала 2 направляется через окошко в корпусе прибора на двойную призму, состоящую из призм 3 и 4, которые изготовлены из стекла с показателем преломления 1,540.
Поверхность АА верхней осветительной призмы 3 (рис.
4.12, а) матовая и служит для освещения рассеянным светом жидкости, нанесенным тонким слоем в зазоре между призмами 3 и 4. Свет, рассеянный матовой поверхностью 3, проходит плоскопараллельный слой исследуемой жидкости и падает на диагональную грань ВВ нижней призмы 4 под различными
углами i в пределах от нуля до 90°.
Чтобы избежать явления полного внутреннего отражения света на поверхности ВВ, показатель преломления исследуемой жидкости должен быть меньше, чем показатель преломления стекла призмы 4, т.е.
меньше, чем 1,540.
Луч света, угол падения которого равен 90°, называется скользящим.
Скользящий луч, преломляясь на границе жидкость – стекло, пойдет в призме 4 под предельным углом преломления r пр < 90о.
Преломление скользящего луча в точке Д (см. рис 4.12, а) подчиняется закону
nст/nж = siniпр/sinrпр (4.11)
или nж = nстsinrпр, (4.12)
так как siniпр = 1.
На поверхности ВС призмы 4 происходит повторное преломление световых лучей и тогда
Sini¢пр/sinr¢пр = 1/ nст, (4.13)
r¢пр+i¢пр = i¢пр =a , (4.14)
где a -преломляющий луч призмы 4.
Решая совместно систему уравнений (4.12),(4.13),(4.14), можно получить формулу, которая связывает показатель преломления nж исследуемой жидкости с предельным углом преломления r’пр луча, вышедшего из призмы 4:
Если на пути лучей, вышедших из призмы 4, поставить зрительную трубу, то нижняя часть ее поля зрения будет освещена, а верхняя — темная. Граница раздела светлого и темного полей образована лучами с предельным углом преломления r¢пр. Лучей с углом преломления меньшим, чем r¢пр, в данной системе нет (рис.
Величина r¢пр,следовательно, и положение границы светотени зависят только от показателя преломления nж исследуемой жидкости, так как nст и a величины в данном приборе постоянные.
Зная nст, a и r¢пр, можно по формуле (4.15) рассчитать nж. На практике формула (4.15) используется для градуировки шкалы рефрактометра.
На шкалу 9 (см.
рис. 4.11) слева нанесены значения показателя преломления для lд = 5893 Å. Перед окуляром 10 — 11 имеется пластинка 8 с меткой (—-).
Перемещая окуляр вместе с пластинкой 8 вдоль шкалы, можно добиться совмещения метки с границей раздела темного и светлого полей зрения.
Деление проградуированной шкалы 9 , совпадающее с меткой, дает значение показателя преломления nж исследуемой жидкости. Объектив 6 и окуляр 10 — 11 образуют зрительную трубу.
Поворотная призма 7 изменяет ход луча, направляя его в окуляр.
Вследствие дисперсии стекла и исследуемой жидкости вместо четкой границы раздела темного и светлого полей при наблюдении в белом свете получается радужная полоска. Для устранения этого эффекта служит компенсатор дисперсии 5, установленный перед объективом зрительной трубы. Основная деталь компенсатора – призма, которая склеена из трех призм и может вращаться относительно оси зрительной трубы.
Преломляющие углы призмы и их материал подобраны так, что желтый свет с длиной волны lд =5893 Å проходит через них без преломления. Если на пути цветных лучей установить компенсаторную призму так, чтобы ее дисперсия была равна по величине, но противоположна по знаку дисперсии измерительной призмы и жидкости, то суммарная дисперсия будет равна нулю. При этом пучок световых лучей соберется в белый луч, направление которого совпадает с направлением предельного желтого луча.
Таким образом, при вращении компенсаторной призмы цветная окраска цветотени устраняется. Вместе с призмой 5 вращается дисперсионный лимб 12 относительно неподвижного указателя (см. рис. 4.10). Угол поворота Z лимба позволяет судить о величине средней дисперсии исследуемой жидкости.
Шкала лимба должна быть проградуирована. График прилагается к установке.
Порядок выполнения работы
1. Приподнять призму 3, на поверхность призмы 4 поместить 2-3 капли исследуемой жидкости и опустить призму 3 (см. рис. 4.10).
3. Окулярной наводкой добиться резкого изображения шкалы и границы раздела полей зрения.
4. Вращая рукоятку 12 компенсатора 5, уничтожить цветную окраску границы раздела полей зрения.
Перемещая окуляр вдоль шкалы, совместить метку(—-) с границей темного и светлого полей и записать значение показателя жидкости.
6. Исследовать предложенный набор жидкостей и оценить погрешность измерений.
7. После каждого измерения протирать поверхность призм фильтровальной бумагой, смоченной в дистиллированной воде.
Контрольные вопросы
Вариант 1
Дайте определение абсолютного и относительного показателей преломления среды.
2. Нарисуйте ход лучей через границу раздела двух сред (n2> n1, и n2< n1).
3. Получите соотношение, которое связывает показатель преломления n с толщиной d и кажущейся толщины d¢ пластинки.
4. Задача. Предельный угол полного внутреннего отражения для некоторого вещества равен 30°.
Найти показатель преломления этого вещества.
Ответ: n =2.
Вариант 2
1. В чем состоит явление полного внутреннего отражения?
2. Опишите конструкцию и принцип действия рефрактометра РЛ-2.
3. Объясните роль компенсатора в рефрактометре.
4. Задача . Из центра круглого плота на глубину 10 м опущена лампочка. Найти минимальный радиус плота, при этом ни один луч от лампочки не должен выйти на поверхность.
Ответ: R = 11,3 м.
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ , или КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕЛОМЛЕНИЯ , — отвлеченное число, характеризующее преломляющую силу прозрачной среды. Показатель преломления обозначается латинской буквой π и определяется как отношение синуса угла падения к синусу угла преломления луча, входящего из пустоты в данную прозрачную среду:
n = sin α/sin β = const или как отношение скорости света в пустоте к скорости света в данной прозрачной среде: n = c/νλ из пустоты в данную прозрачную среду.
Показатель преломления считается мерой оптической плотности среды
Определенный таким образом показатель преломления называется абсолютным показателем преломления, в отличие от относительного т.
е. показывает, во сколько раз замедляется скорость распространения света при переходе его показателя преломления, который определяется отношением синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе луча из среды одной плотности в среду другой плотности. Относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей преломления: n = n2/n1, где n1 и n2 — абсолютные показатели преломления первой и второй среды.
Абсолютный показатель преломления всех тел — твердых, жидких и газообразных — больше единицы и колеблется от 1 до 2, превосходя значение 2 только в редких случаях.
Показатель преломления зависит как от свойств среды, так и от длины волны света и увеличивается с уменьшением длины волны.
Поэтому к букве п приписывают индекс, указывающий, к какой длине волны относится показатель.
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
Например, для стеклаТФ-1 показатель преломления в красной части спектра составляет nC=1,64210, а в фиолетовой nG’ =1,67298.
Показатели преломления некоторых прозрачных тел
Воздух — 1 ,000292
Вода — 1,334
Эфир — 1 ,358
Спирт этиловый — 1,363
Глицерин — 1, 473
Органическое стекло (плексиглас) — 1 , 49
Бензол — 1,503
(Стекло крон — 1,5163
Пихтовый (канадский), бальзам 1,54
Стекло тяжелый крон — 1 , 61 26
Стекло флинт — 1,6164
Сероуглерод — 1,629
Стекло тяжелый флинт — 1 , 64 75
Монобромнафталин — 1,66
Стекло самый тяжелый флинт — 1 ,92
Алмаз — 2,42
Неодинаковость показателя преломления для разных участков спектра является причиной хроматизма, т, е.
разложения белого света, при прохождении его через преломляющие детали — линзы, призмы и т. д.
Лабораторная работа № 41
Определение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра
Цель работы: определение показателя преломления жидкостей методом полного внутреннего отражения с помощью рефрактометра ИРФ-454Б ; исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации.
Описание установки
При преломлении немонохроматического света происходит его разложение на составные цвета в спектр.
Это явление обусловлено зависимостью показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света и называется дисперсией света.
Принято характеризовать преломляющую способность среды показателем преломления на длине волны λ = 589,3 нм (среднее значение длин волн двух близких желтых линий в спектре паров натрия).
60. Какие методы определения концентрации веществ в р-ре используют в атомно-абсорбционном анализе?
Этот показатель преломления обозначается n D .
Мерой дисперсии служит средняя дисперсия, определяемая как разность (n F -n C ), где n F — показатель преломления вещества на длине волны λ = 486,1 нм (голубая линия в спектре водорода), n C – показатель преломления вещества на λ — 656,3 нм (красная линия в спектре водорода).
Преломление вещества характеризуют величиной относительной дисперсии: 
В справочниках обычно приводится величина, обратная относительной дисперсии, т.
е. 
,где 
— коэффициент дисперсии, или число Аббе.
Установка для определения показателя преломления жидкостей состоит из рефрактометра ИРФ-454Б с пределами измерения показателя; преломления n D в диапазоне от 1,2 до 1,7; исследуемой жидкости, салфетки для протирания поверхностей призм.
Рефрактометр ИРФ-454Б является контрольно-измерительным прибором, предназначенным для непосредственного измерения показателя преломления жидкостей, а также для определения средней дисперсии жидкостей в лабораторных условиях.
Принцип действия прибора ИРФ-454Б основан на явлении полного внутреннего отражения света.
Принципиальная схема прибора показана на рис. 1.
Исследуемая жидкость помещается между двумя гранями призмы 1 и 2. Призма 2 с хорошо отполированной гранью АВ является измерительной, а призма 1 с матовой гранью А 1 В 1 — осветительной. Лучи от источника света падают на грань А 1 С 1 , преломляются, падают на матовую поверхность А 1 В 1 и рассеиваются этой поверхностью.
Затем они проходят слой исследуемой жидкости и попадают на поверхность АВ призмы 2.
|
|
По закону преломления 
, где 
и 
— углы преломления лучей в жидкости и призме соответственно.
При увеличении угла падения угол преломления также увеличивается и достигает максимального значения 
, когда 
, т.
е. когда луч в жидкости скользит по поверхности АВ
. Следовательно, 
. Таким образом, выходящие из призмы 2 лучи ограничены определенным углом 
.
Лучи, идущие из жидкости в призму 2 под большими углами претерпевают полное внутреннее отражение на границе раздела АВ и не проходят через призму.
На рассматриваемом приборе исследуются жидкости, показатель преломления 
которых меньше показателя преломления 
призмы 2, следовательно, лучи всех направлений, преломившиеся на границе жидкости и стекла, войдут в призму.
Очевидно, часть призмы, соответствующая не прошедшим лучам будет затемненной. В зрительную трубу 4, расположенную на пути выходящих из призмы лучей, можно наблюдать разделение поля зрения на светлую и темную части.
Поворачивая систему призм 1-2, совмещают границу раздела светлого и темного поля с крестом нитей окуляра зрительной трубы. Система призм 1-2 связана со шкалой, которая отградуирована в значениях показателя преломления.
Шкала расположена в нижней части поля зрения трубы и при совмещении раздела поля зрения с крестом нитей даёт соответствующее значение показателя преломления жидкости .
Из-за дисперсии граница раздела поля зрения в белом свете будет окрашена. Для устранения окрашенности, а также для определения средней дисперсии исследуемого вещества служит компенсатор 3, состоящий из двух систем склеенных призм прямого зрения (призм Амичи).
Призмы можно вращать одновременно в разные стороны с помощью точного поворотного механического устройства, меняя тем самым собственную дисперсию компенсатора и устраняя окрашенность границы поля зрения, наблюдаемую через оптическую систему 4. С компенсатором связан барабан со шкалой, по которой определяют параметр дисперсии, позволяющий рассчитать среднюю дисперсию вещества.
Порядок выполнения работы
Произвести настройку прибора так, чтобы свет от источника (лампы накаливания) поступал в осветительную призму и освещал равномерно поле зрения.
2. Открыть измерительную призму.
Стеклянной палочкой нанести на её поверхность несколько капель воды и осторожно закрыть призму. Зазор между призмами должен быть равномерно заполнен тонким слоем воды (обратить на это особое внимание).
Пользуясь винтом прибора со шкалой, устранить окрашенность поля зрения и получить резкую границу света и тени. Совместить ее, с помощью другого винта, с отсчётным крестом окуляра прибора. Определить показатель преломления воды по шкале окуляра с точностью до тысячных долей.
Сравнить полученные результаты со справочными данными для воды. Если отличие измеренного от табличного показателя преломления не превышают ± 0,001, то измерение выполнено правильно.
Задание 1
1. Приготовить раствор поваренной соли (NaCl ) с концентрацией, близкой к пределу растворимости (например, С = 200 г/литр).
Измерить показатель преломления полученного раствора.
3. Разбавляя раствор в целое число раз получить зависимость показателя; преломления от концентрации раствора и заполнить табл. 1.
Таблица 1
Упражнение. Как получить только разбавлением концентрацию раствора, равную 3/4 максимальной (начальной)?
Построить график зависимости n=n(C) . Дальнейшую обработку экспериментальных данных провести по указанию преподавателя.
Обработка экспериментальных данных
а) Графический метод
Из графика определить угловой коэффициент В , который при условиях эксперимента будет характеризовать растворенное вещество и растворитель.
2. Определить с помощью графика концентрацию раствора NaCl , данного лаборантом.
б) Аналитический метод
Методом наименьших квадратов вычислить А , В и S B .
По найденным значениям А
и В
определить среднее значение 
концентрации раствора NaCl
, данного лаборантом
Контрольные вопросы
Дисперсия света. Чем отличается нормальная дисперсия от аномальной?
2. Что такое явление полного внутреннего отражения?
3. Почему на данной установке нельзя измерить показатель преломления жидкости больший, чем показатель преломления призмы?
4. Зачем грань призмы А 1 В 1 делают матовой?
Деградации, Индекс
Психологическая энциклопедия
Способ оценки степени деградации психических! функций, измеряемых тестом Векслера-Белвью. Индекс основывается на наблюдении того, что уровень развития некоторых способностей, измеряемых тестом, с возрастом снижается, а других – нет.
Индекс
Психологическая энциклопедия
— указатель, реестр имен, названий и пр. В психологии — цифровой показатель для количественной оценки, характеризации явлений.
От чего зависит показатель преломления вещества?
Индекс
Психологическая энциклопедия
1. Наиболее общее значение: что-либо, используемое для того, чтобы пометить, идентифицировать или направить; индикация, надписи, знаки или символы. 2. Формула или номер, часто выражаемые как коэффициент, показывающий некоторое отношение между значениями или измерениями или между…
Общительности, Индекс
Психологическая энциклопедия
Характеристика, выражающая общительностьчеловека. Социограмма, например, дает, помимо прочих измерений, оценку общительности разных членов группы.
Отбора, Индекс
Психологическая энциклопедия
Формула для оценки мощности определенного теста или пункта теста в различении индивидов друг от друга.
Надежности, Индекс
Психологическая энциклопедия
Статистика, обеспечивающая оценку корреляции между актуальными значениями, полученными из теста, и теоретически верными значениями.
Этот индекс дается как значение r, где r – вычисляемый коэффициент надежности.
Прогнозирования Эффективности, Индекс
Психологическая энциклопедия
Измерение степени, в которой можно использовать знание об одной переменной для того, чтобы делать предсказания относительно другой переменной, при условии, что корреляция этих переменных известна. Обычно в символической форме это выражается как Е, индекс представляется как 1 -((…
Слова, Индекс
Психологическая энциклопедия
Общий термин для обозначения любой систематической частоты появления слов в письменной и/или устной речи.
Часто такие индексы ограничены специфическими лингвистическими областями, например, учебники для первых классов, родительско-детские взаимодействия. Однако известны оценки…
Строения Тела, Индекс
Психологическая энциклопедия
Предложенное Айзенком измерение телосложения, основанное на отношении роста к окружности груди.
Те, чьи показатели были в «нормальном» диапазоне, назывались мезоморфами, в пределах стандартного отклонения или выше среднего – лептоморфами и в пределах стандартного отклонения или…
К ЛЕКЦИИ №24
«ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА»
РЕФРАКТОМЕТРИЯ.
Литература:
1. В.Д. Пономарёв «Аналитическая химия» 1983год 246-251
2. А.А. Ищенко «Аналитическая химия» 2004 год стр 181-184
РЕФРАКТОМЕТРИЯ.
Рефрактометрия является одним их самых простых физических методов анализа с затратой минимального количества анализируемого вещества и проводится за очень короткое время.
Рефрактометрия — метод, основанный на явлении преломления или рефракции т.е.
изменении направления распространения света при переходе из одной среды в другую.
Преломление, так же как и поглощение света, является следствием взаимодействия его со средой.
Слово рефрактометрия означает измерение преломления света, которое оценивается по величине показателя преломления.
Величина показателя преломления n зависит
1)от состава веществ и систем,
2) от того, в какой концентрации и какие молекулы встречает световой луч на своем пути, т.к.
под действием света молекулы разных веществ поляризуются по-разному. Именно на этой зависимости и основан рефрактометрический метод.
Метод этот обладает целым рядом преимуществ, в результате чего он нашел широкое применение как в химических исследованиях, так и при контроле технологических процессов.
1)Измерение показатели преломления являются весьма простым процессом, который осуществляется точно и при минимальных затратах времени и количества вещества.
2) Обычно рефрактометры обеспечивают точность до 10% при определении показателя преломления света и содержания анализируемого вещества
Метод рефрактометрии применяют для контроля подлинности и чистоты, для идентификации индивидуальных веществ, для определения строения органических и неорганических соединений при изучении растворов.
Рефрактометрия находит применение для определения состава двухкомпонентных растворов и для тройных систем.
Физические основы метода
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ.
Отклонение светового луча от первоначального направления при переходе его из одной среды в другую тем больше, чем больше разница в скоростях распространения света в двух
данных средах.
Рассмотрим преломление светового луча на границе каких-либо двух прозрачных сред I и II(См.
Рис.). Условимся, что среда II обладает большей преломляющей способностью и, следовательно, n1 и n2 — показывает преломление соответствующих сред. Если среда I -это не вакуум и не воздух, то отношение sin угла падения светового луча к sin угла преломления даст величину относительного показателя преломления n отн. Величина n отн.
Что такое показатель преломления стекла? И когда его необходимо знать?
может быть так же определена как отношение показателей преломления рассматриваемых сред.
nотн. = —— = —
Величина показателя преломления зависит от
1) природы веществ
Природу вещества в данном случае определяет степень деформируемости его молекул под действием света — степень поляризуемости.
Чем интенсивней поляризуемость, тем сильнее преломление света.
2)длины волны падающего света
Измерение показателя преломления проводится при длине волны света 589,3 нм (линия D спектра натрия).
Зависимость показателя преломления от длины световой волны называется дисперсией.
Чем меньше длина волны, тем значительнее преломление . Поэтому, лучи разных длин волн преломляются по-разному.
3)температуры , при которой проводится измерение. Обязательным условием определения показателя преломления является соблюдение температурного режима. Обычно определение выполняется при 20±0,30С.
При повышении температуры величина показателя преломления уменьшается, при понижении — увеличивается .
Поправку на влияние температуры рассчитывают по следующей формуле:
nt=n20+ (20-t) ·0,0002, где
nt – показатель преломления при данной температуре,
n20-показатель преломления при 200С
Влияние температуры на значения показателей преломления газов и жидких тел связано с величинами их коэффициентов объемного расширения.
Объем всех газов и жидких тел при нагревании увеличивается, плотность уменьшается и,следовательно, уменьшается показатель
Показатель преломления, измеренный при 200С и длине волны света 589,3 нм, обозначается индексом nD20
Зависимость показателя преломления гомогенной двухкомпонентной системы от ее состояния устанавливается экспериментально, путем определения показателя преломления для ряда стандартных систем(например,растворов), содержание компонентов в которых известно.
4)концентрации вещества в растворе.
Для многих водных растворов веществ показатели преломления при разных концентрациях и температурах надежно измерены, и в этих случаях можно пользоваться справочными рефрактометрическими таблицами .
Практика показывает, что при содержании растворенного вещества, не превышающем 10-20%, наряду с графическим методом в очень многих случаях можно пользоваться линейным уравнением типа:
n=nо+FC,
n- показатель преломления раствора,
nо — показатель преломления чистого растворителя,
C — концентрация растворенного вещества,%
F -эмпирический коэффициент, величина которого найдена
путем определения коэффициентов преломления растворов известной концентрации.
РЕФРАКТОМЕТРЫ.
Рефрактометрами называют приборы, служащие для измерения величины показателя преломления.
Существует 2 вида этих приборов: рефрактометр типа Аббе и типа Пульфриха. И в тех и в др. измерения основаны на определении величины предельного угла преломления. На практике применяются рефрактометры различных систем: лабораторный-РЛ, универсальный РЛУ и др.
Показатель преломления дистиллированной воды n0=1,33299, практически же этот показатель принимает в качестве отсчетного как n0=1,333.
Принцип работы на рефрактометрах основан на определении показателя преломления методом предельного угла (угол полного отражения света).
Ручной рефрактометр
Рефрактометр Аббе
К ЛЕКЦИИ №24
«ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА»
РЕФРАКТОМЕТРИЯ.
Литература:
1. В.Д. Пономарёв «Аналитическая химия» 1983год 246-251
2. А.А. Ищенко «Аналитическая химия» 2004 год стр 181-184
РЕФРАКТОМЕТРИЯ.
Рефрактометрия является одним их самых простых физических методов анализа с затратой минимального количества анализируемого вещества и проводится за очень короткое время.
Рефрактометрия - метод, основанный на явлении преломления или рефракции т.е. изменении направления распространения света при переходе из одной среды в другую.
Преломление, так же как и поглощение света, является следствием взаимодействия его со средой. Слово рефрактометрия означает измерение преломления света, которое оценивается по величине показателя преломления.
Величина показателя преломления n зависит
1)от состава веществ и систем,
2) от того, в какой концентрации и какие молекулы встречает световой луч на своем пути, т.к. под действием света молекулы разных веществ поляризуются по-разному. Именно на этой зависимости и основан рефрактометрический метод.
Метод этот обладает целым рядом преимуществ, в результате чего он нашел широкое применение как в химических исследованиях, так и при контроле технологических процессов.
1)Измерение показатели преломления являются весьма простым процессом, который осуществляется точно и при минимальных затратах времени и количества вещества.
2) Обычно рефрактометры обеспечивают точность до 10% при определении показателя преломления света и содержания анализируемого вещества
Метод рефрактометрии применяют для контроля подлинности и чистоты, для идентификации индивидуальных веществ, для определения строения органических и неорганических соединений при изучении растворов. Рефрактометрия находит применение для определения состава двухкомпонентных растворов и для тройных систем.
Физические основы метода
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ.
Отклонение светового луча от первоначального направления при переходе его из одной среды в другую тем больше, чем больше разница в скоростях распространения света в двух
данных средах.
Рассмотрим преломление светового луча на границе каких-либо двух прозрачных сред I и II(См. Рис.). Условимся, что среда II обладает большей преломляющей способностью и, следовательно, n 1 и n 2 - показывает преломление соответствующих сред. Если среда I -это не вакуум и не воздух, то отношение sin угла падения светового луча к sin угла преломления даст величину относительного показателя преломления n отн. Величина n отн. может быть так же определена как отношение показателей преломления рассматриваемых сред.
n отн. = ----- = ---
Величина показателя преломления зависит от
1) природы веществ
Природу вещества в данном случае определяет степень деформируемости его молекул под действием света - степень поляризуемости. Чем интенсивней поляризуемость, тем сильнее преломление света.
2)длины волны падающего света
Измерение показателя преломления проводится при длине волны света 589,3 нм (линия D спектра натрия).
Зависимость показателя преломления от длины световой волны называется дисперсией. Чем меньше длина волны, тем значительнее преломление . Поэтому, лучи разных длин волн преломляются по-разному.
3)температуры , при которой проводится измерение. Обязательным условием определения показателя преломления является соблюдение температурного режима. Обычно определение выполняется при 20±0,3 0 С.
При повышении температуры величина показателя преломления уменьшается, при понижении - увеличивается .
Поправку на влияние температуры рассчитывают по следующей формуле:
n t =n 20 + (20-t) ·0,0002, где
n t – показатель преломления при данной температуре,
n 20 -показатель преломления при 20 0 С
Влияние температуры на значения показателей преломления газов и жидких тел связано с величинами их коэффициентов объемного расширения. Объем всех газов и жидких тел при нагревании увеличивается, плотность уменьшается и,следовательно, уменьшается показатель
Показатель преломления, измеренный при 20 0 С и длине волны света 589,3 нм, обозначается индексом n D 20
Зависимость показателя преломления гомогенной двухкомпонентной системы от ее состояния устанавливается экспериментально, путем определения показателя преломления для ряда стандартных систем(например,растворов), содержание компонентов в которых известно.
4)концентрации вещества в растворе.
Для многих водных растворов веществ показатели преломления при разных концентрациях и температурах надежно измерены, и в этих случаях можно пользоваться справочными рефрактометрическими таблицами . Практика показывает, что при содержании растворенного вещества, не превышающем 10-20%, наряду с графическим методом в очень многих случаях можно пользоваться линейным уравнением типа:
n=n о +FC,
n- показатель преломления раствора,
nо - показатель преломления чистого растворителя,
C - концентрация растворенного вещества,%
F -эмпирический коэффициент, величина которого найдена
путем определения коэффициентов преломления растворов известной концентрации.
РЕФРАКТОМЕТРЫ.
Рефрактометрами называют приборы, служащие для измерения величины показателя преломления. Существует 2 вида этих приборов: рефрактометр типа Аббе и типа Пульфриха. И в тех и в др. измерения основаны на определении величины предельного угла преломления. На практике применяются рефрактометры различных систем: лабораторный-РЛ, универсальный РЛУ и др.
Показатель преломления дистиллированной воды n 0 =1,33299, практически же этот показатель принимает в качестве отсчетного как n 0 =1,333.
Принцип работы на рефрактометрах основан на определении показателя преломления методом предельного угла (угол полного отражения света).
Ручной рефрактометр
Рефрактометр Аббе
Угол падения - угол a между направлением падающего луча и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения .
Угол отражения - угол β между этим перпендикуляром и направлением отраженного луча.
Законы отражения света:
1. Луч падающий, перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения и луч отраженный лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения равен углу падения .
Преломлением света называют изменение направления световых лучей при переходе света из одной прозрачной среды в другую.
Угол преломления - угол b между тем же перпендикуляром и направлением преломленного луча.
Скорость света в вакуумес = 3*10 8 м/с
Скорость света в среде V< c
Абсолютный показатель преломления среды показывает, во сколько раз скорость света v в данной среде меньше, чем скорость света с в вакууме.
Абсолютный показатель преломления первой среды
Абсолютный показатель преломления второй среды
Абсолютный показатель преломления для вакуума равен 1
Скорость света в воздухе очень мало отличается от значения с, поэтому
Абсолютный показатель преломления для воздуха будем считать равным 1
Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз изменяется скорость света при переходе луча из первой среды во вторую.
где V 1 и V 2 – скорости распространения света в первой и второй среде.
С учетом показателя преломления закон преломления света можно записать в виде
где n 21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой;
n 2 и n 1 – абсолютные показатели преломления второй и первой среды соответственно
Показатель преломления среды относительно воздуха (вакуума) можно найти в таблице 12 (задачник Рымкевича). Значения приведены для случая падения света из воздуха в данную среду.
Например, находим в таблице показатель преломления алмаза n= 2,42.
Это показатель преломления алмаза относительно воздуха (вакуума), то есть для абсолютных показателей преломления:
Законы отражения и преломления справедливы при обратном направлении хода световых лучей.
Из двух прозрачных сред оптически менее плотной называют среду с большей скоростью распространения света, или с меньшим показателем преломления .
При падении в оптически более плотную среду
угол преломления меньше угла падения.
При падении в оптически менее плотную среду
угол преломления больше угла падения
Полное внутреннее отражение
Если световые лучи из оптически более плотной среды 1 падают на границу раздела с оптически менее плотной средой 2 (n 1 > n 2 ), то угол падения меньше угла преломления a < b . При увеличении угла падения можно подойти к такому его значению a пр , когда преломленный луч заскользит по границе раздела двух сред и не попадет во вторую среду,
Угол преломления b = 90°, при этом вся световая энергия отражается от границы раздела.
Предельным углом полного внутреннего отражения a пр называется угол, при котором преломленный луч скользит вдоль поверхности двух сред,
При переходе из среды оптически менее плотной в среду более плотную полное внутреннее отражение невозможно.
Эта статья раскрывает сущность такого понятия оптики, как показатель преломления. Приводятся формулы получения этой величины, дается краткий обзор применения явления преломления электромагнитной волны.
Способность видеть и показатель преломления
На заре зарождения цивилизации люди задавали вопросом: как видит глаз? Высказывались предположения, что человек испускает лучи, которые ощупывают окружающие предметы, или, наоборот, все вещи испускают такие лучи. Ответ на этот вопрос был дан в семнадцатом веке. Он содержится в оптике и связан с тем, что такое показатель преломления. Отражаясь от различных непрозрачных поверхностей и преломляясь на границе с прозрачными, свет дает человеку возможность видеть.
Свет и показатель преломления
Наша планета окутана светом Солнца. И именно с волновой природой фотонов связано такое понятие, как абсолютный показатель преломления. Распространяясь в вакууме, фотон не встречает препятствий. На планете свет встречает множество разных более плотных сред: атмосфера (смесь газов), вода, кристаллы. Будучи электромагнитной волной, фотоны света имеют в вакууме одну фазовую скорость (обозначается c ), а в среде - другую (обозначается v ). Соотношение первой и второй и является тем, что называют абсолютный показатель преломления. Формула выглядит так: n = c / v.
Фазовая скорость
Стоит дать определение фазовой скорости электромагнитной среды. Иначе понять, что такое показатель преломления n , нельзя. Фотон света - волна. Значит, его можно представить как пакет энергии, который колеблется (представьте отрезок синусоиды). Фаза - это тот отрезок синусоиды, который проходит волна в данный момент времени (напомним, что это важно для понимания такой величины, как показатель преломления).
Например, фазой может быть максимум синусоиды или какой-то отрезок ее склона. Фазовая скорость волны - это скорость, с которой движется конкретно эта фаза. Как поясняет определение показателя преломления, для вакуума и для среды эти величины различаются. Мало того, каждая среда обладает своим значением этой величины. Любое прозрачное соединение, каким бы ни был его состав, имеет показатель преломления, отличный от всех прочих веществ.
Абсолютный и относительный показатель преломления
Выше уже было показано, что абсолютная величина отсчитывается относительно вакуума. Однако с этим на нашей планете туго: свет чаще попадает на границу воздуха и воды или кварца и шпинели. Для каждой из этих сред, как уже было сказано выше, показатель преломления свой. В воздухе фотон света идет вдоль одного направления и имеет одну фазовую скорость (v 1), но, попадая в воду, меняет направление распространения и фазовую скорость (v 2). Однако оба эти направления лежат в одной плоскости. Это очень важно для понимания того, как формируется изображение окружающего мира на сетчатке глаза или на матрице фотоаппарата. Соотношение двух абсолютных величин дает относительный показатель преломления. Формула выглядит так: n 12 = v 1 / v 2 .
Но как же быть, если свет, наоборот, выходит из воды и попадает в воздух? Тогда эта величина будет определяться формулой n 21 = v 2 / v 1 . При перемножении относительных показателей преломления получаем n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. Это соотношение справедливо для любой пары сред. Относительный показатель преломления можно найти из синусов углов падения и преломления n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2 . Не стоит забывать, что углы отсчитывают от нормали к поверхности. Под нормалью подразумевается линия, перпендикулярная поверхности. То есть если в задаче дан угол α падения относительно самой поверхности, то надо считать синус от (90 - α).
Красота показателя преломления и его применение
В спокойный солнечный день на дне озера играют блики. Темно-синий лед покрывает скалу. На руке женщины бриллиант рассыпает тысячи искр. Эти явления - следствие того, что все границы прозрачных сред имеют относительный показатель преломления. Кроме эстетического наслаждения, это явление можно использовать и для практического применения.
Вот примеры:
- Линза из стекла собирает пучок солнечного света и поджигает траву.
- Лазерный луч фокусируется на больном органе и отрезает ненужную ткань.
- Солнечный свет преломляется на древнем витраже, создавая особую атмосферу.
- Микроскоп увеличивает изображение очень маленьких деталей
- Линзы спектрофотометра собирают свет лазера, отраженный от поверхности изучаемого вещества. Таким образом, можно понять структуру, а потом и свойства новых материалов.
- Существует даже проект фотонного компьютера, где передавать информацию будут не электроны, как сейчас, а фотоны. Для такого устройства однозначно потребуются преломляющие элементы.
Длина волны
Однако Солнце снабжает нас фотонами не только видимого спектра. Инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские диапазоны не воспринимаются человеческим зрением, но влияют на нашу жизнь. ИК-лучи согревают нас, УФ-фотоны ионизируют верхние слои атмосферы и дают возможность растениям с помощью фотосинтеза вырабатывать кислород.
И чему показатель преломления равен, зависит не только от веществ, между которыми пролегает граница, но и длине волны падающего излучения. О какой именно величине идет речь, обычно понятно из контекста. То есть если книга рассматривает рентген и его влияние на человека, то и n там определяется именно для этого диапазона. Но обычно подразумевается видимый спектр электромагнитных волн, если не указано нечто иное.
Показатель преломления и отражение
Как стало ясно из написанного выше, речь идет о прозрачных средах. В качестве примеров мы приводили воздух, воду, алмаз. Но как быть с деревом, гранитом, пластиком? Существует ли для них такое понятие, как показатель преломления? Ответ сложен, но в целом - да.
Прежде всего, следует учитывать, с каким именно светом мы имеем дело. Те среды, которые непрозрачны для видимых фотонов, прорезаются насквозь рентгеновским или гамма-излучением. То есть если бы мы все были суперменами, то весь мир вокруг был бы для нас прозрачен, но в разной степени. Например, стены из бетона были бы не плотнее желе, а металлическая арматура была бы похожа на кусочки более плотных фруктов.
Для других элементарных частиц, мюонов, наша планета вообще прозрачна насквозь. В свое время ученым доставило немало хлопот доказательство самого факта их существования. Мюоны миллионами пронзают нас каждую секунду, но вероятность столкновения хоть одной частицы с материей очень мала, и зафиксировать это очень сложно. Кстати, в скором времени Байкал станет местом «ловли» мюонов. Его глубокая и прозрачная вода подходит для этого идеально - особенно зимой. Главное, чтобы датчики не замерзли. Таким образом, показатель преломления бетона, например, для рентгеновских фотонов имеет смысл. Мало того, облучение вещества рентгеном - это один из наиболее точных и важных способов исследования строения кристаллов.
Также стоит помнить, что в математическом смысле непрозрачные для данного диапазона вещества обладают мнимым показателем преломления. И наконец, надо понимать, что температура вещества тоже может влиять на его прозрачность.
