Najvišji lomni količnik. Pogodbena proizvodnja

Svetloba po svoji naravi potuje skozi različne medije z različnimi hitrostmi. Čim gostejši je medij, tem manjša je hitrost širjenja svetlobe v njem. Določeno je bilo ustrezno merilo, ki se nanaša tako na gostoto materiala kot na hitrost širjenja svetlobe v tem materialu. To merilo so poimenovali lomni količnik. Za vsak material se lomni količnik meri glede na hitrost svetlobe v vakuumu (vakuum se pogosto imenuje prosti prostor). Naslednja formula opisuje to razmerje.

Višji kot je lomni količnik materiala, gostejši je. Ko svetlobni žarek prehaja iz enega materiala v drugega (z drugačnim lomnim količnikom), bo lomni kot drugačen od vpadnega kota. Svetlobni žarek, ki prodre v medij z nižjim lomnim količnikom, izstopi pod kotom, večjim od vpadnega kota. Svetlobni žarek, ki prodira skozi medij z visokim lomnim količnikom, izstopi pod kotom, ki je manjši od vpadnega kota. To je prikazano na sl. 3.5.

riž. 3.5.a. Žarek, ki prehaja iz medija z visokim N 1 v medij z nizkim N 2

riž. 3.5.b. Žarek, ki prehaja iz medija z nizkim N 1 v medij z visokim N 2

V tem primeru je θ 1 vpadni kot, θ 2 pa lomni kot. Nekateri tipični lomni količniki so navedeni spodaj.

Zanimivo je, da je pri rentgenskih žarkih lomni količnik stekla vedno manjši kot pri zraku, zato se pri prehodu iz zraka v steklo odklonijo stran od navpičnice, in ne proti navpičnici, kot svetlobni žarki.

Obrnemo se na podrobnejšo obravnavo lomnega količnika, ki smo ga uvedli v §81 pri oblikovanju lomnega zakona.

Lomni količnik je odvisen od optičnih lastnosti medija, iz katerega žarek pada, in medija, v katerega prodira. Lomni količnik, ki ga dobimo, ko svetloba iz vakuuma pade na kateri koli medij, se imenuje absolutni lomni količnik tega medija.

riž. 184. Relativni lomni količnik dveh medijev:

Naj bo absolutni lomni količnik prvega medija in drugega medija - . Ob upoštevanju loma na meji prvega in drugega medija poskrbimo, da je lomni količnik pri prehodu iz prvega medija v drugega, tako imenovani relativni lomni količnik, enak razmerju absolutnih lomnih količnikov medija. drugi in prvi medij:

(Slika 184). Nasprotno, pri prehodu iz drugega medija v prvega imamo relativni lomni količnik

Ugotovljeno povezavo med relativnim lomnim količnikom dveh medijev in njunima absolutnima lomnima količnikoma bi bilo mogoče izpeljati teoretično, brez novih poskusov, tako kot je to mogoče storiti za zakon reverzibilnosti (§82),

Medij z višjim lomnim količnikom imenujemo optično gostejši. Običajno se meri lomni količnik različnih medijev glede na zrak. Absolutni lomni količnik zraka je . Tako je absolutni lomni količnik katerega koli medija povezan z njegovim lomnim količnikom glede na zrak s formulo

Tabela 6. Lomni količnik različnih snovi glede na zrak

Lomni količnik je odvisen od valovne dolžine svetlobe, torej od njene barve. Različne barve ustrezajo različnim lomnim količnikom. Ta pojav, imenovan disperzija, igra pomembno vlogo v optiki. Ta pojav bomo v naslednjih poglavjih večkrat obravnavali. Podatki v tabeli. 6, glej rumeno luč.

Zanimivo je, da je zakon odboja mogoče formalno zapisati v enaki obliki kot zakon loma. Naj spomnimo, da smo se dogovorili, da vedno merimo kote od navpičnice na pripadajoči žarek. Zato moramo upoštevati, da imata vpadni kot in odbojni kot nasprotna predznaka, tj. zakon refleksije lahko zapišemo kot

Če primerjamo (83.4) z lomnim zakonom, vidimo, da lahko odbojni zakon obravnavamo kot poseben primer lomnega zakona pri . Ta formalna podobnost zakonov odboja in loma je zelo koristna pri reševanju praktičnih problemov.

V prejšnji predstavitvi je imel lomni količnik pomen konstante medija, neodvisno od jakosti svetlobe, ki prehaja skozenj. Ta razlaga lomnega količnika je povsem naravna, vendar v primeru visokih intenzitet sevanja, ki jih lahko dosežemo s sodobnimi laserji, ni upravičena. Lastnosti medija, skozi katerega prehaja močno svetlobno sevanje, so v tem primeru odvisne od njegove jakosti. Kot pravijo, okolje postane nelinearno. Nelinearnost medija se kaže predvsem v tem, da svetlobni val visoke intenzivnosti spremeni lomni količnik. Odvisnost lomnega količnika od jakosti sevanja ima obliko

Tukaj je običajni lomni količnik, je nelinearni lomni količnik in je faktor sorazmernosti. Dodatni člen v tej formuli je lahko pozitiven ali negativen.

Relativne spremembe lomnega količnika so razmeroma majhne. Pri nelinearnem lomnem količniku. Vendar so že tako majhne spremembe lomnega količnika opazne: kažejo se v svojevrstnem pojavu samofokusiranja svetlobe.

Oglejmo si medij s pozitivnim nelinearnim lomnim količnikom. V tem primeru so območja povečane jakosti svetlobe hkrati območja povečanega lomnega količnika. Običajno je pri resničnem laserskem sevanju porazdelitev intenzitete po preseku žarka žarkov neenakomerna: intenzivnost je največja vzdolž osi in se gladko zmanjšuje proti robom žarka, kot je prikazano na sliki 1. 185 polnih krivulj. Podobna porazdelitev opisuje tudi spremembo lomnega količnika po preseku celice z nelinearnim medijem, vzdolž katere osi se širi laserski žarek. Lomni količnik, ki je največji vzdolž osi kivete, gladko pada proti njenim stenam (črtkane krivulje na sliki 185).

Žarek žarkov, ki zapušča laser vzporedno z osjo, vstopi v medij s spremenljivim lomnim količnikom, se odkloni v smeri, kjer je večji. Zato povečana intenzivnost v bližini kivete vodi do koncentracije svetlobnih žarkov na tem območju, ki je shematično prikazano v prerezih in na sl. 185, kar vodi do nadaljnjega povečanja. Navsezadnje se efektivni presek svetlobnega žarka, ki prehaja skozi nelinearni medij, bistveno zmanjša. Svetloba prehaja skozi ozek kanal z visokim lomnim količnikom. Tako se laserski snop žarkov zoži, nelinearni medij pa pod vplivom intenzivnega sevanja deluje kot zbiralna leča. Ta pojav se imenuje samofokusiranje. Opazimo ga lahko na primer v tekočem nitrobenzenu.

riž. 185. Porazdelitev intenzivnosti sevanja in lomnega količnika po preseku laserskega žarka žarkov na vhodu v kiveto (a), blizu vhodnega konca (), na sredini (), blizu izhodnega konca kivete ( )

Pri reševanju problemov v optiki morate pogosto poznati lomni količnik stekla, vode ali druge snovi. Poleg tega se lahko v različnih situacijah uporabijo tako absolutne kot relativne vrednosti te količine.

Dve vrsti lomnega količnika

Najprej se pogovorimo o tem, kaj kaže ta številka: kako se spremeni smer širjenja svetlobe v določenem prozornem mediju. Poleg tega lahko elektromagnetno valovanje izvira iz vakuuma in takrat se bo lomni količnik stekla ali druge snovi imenoval absoluten. V večini primerov je njegova vrednost v območju od 1 do 2. Le v zelo redkih primerih je lomni količnik večji od dveh.

Če je pred predmetom medij gostejši od vakuuma, potem govorijo o relativni vrednosti. In izračuna se kot razmerje dveh absolutnih vrednosti. Na primer, relativni lomni količnik vodnega stekla bo enak kvocientu absolutnih vrednosti za steklo in vodo.

V vsakem primeru je označena z latinsko črko "en" - n. Ta vrednost je pridobljena z deljenjem istih vrednosti med seboj, zato je preprosto koeficient, ki nima imena.

Katero formulo lahko uporabite za izračun lomnega količnika?

Če vzamemo vpadni kot kot "alfa" in lomni kot kot "beta", potem je formula za absolutno vrednost lomnega količnika videti takole: n = sin α/sin β. V literaturi v angleškem jeziku lahko pogosto najdete drugačno oznako. Ko je vpadni kot i, lomni kot pa r.

Obstaja še ena formula za izračun lomnega količnika svetlobe v steklu in drugih prozornih medijih. Povezana je s hitrostjo svetlobe v vakuumu in enako, vendar v obravnavani snovi.

Potem je videti takole: n = c/νλ. Tukaj je c hitrost svetlobe v vakuumu, ν njena hitrost v prozornem mediju, λ pa valovna dolžina.

Od česa je odvisen lomni količnik?

Določena je s hitrostjo, s katero se svetloba širi v obravnavanem mediju. Zrak je v tem pogledu zelo blizu vakuumu, zato se svetlobni valovi širijo v njem praktično brez odstopanja od prvotne smeri. Če torej določimo lomni količnik steklo-zrak ali katero koli drugo snov, ki meji na zrak, potem slednjo običajno vzamemo kot vakuum.

Vsako drugo okolje ima svoje značilnosti. Imajo različne gostote, imajo svojo temperaturo, pa tudi elastične napetosti. Vse to vpliva na rezultat loma svetlobe s snovjo.

Lastnosti svetlobe igrajo pomembno vlogo pri spreminjanju smeri širjenja valov. Bela svetloba je sestavljena iz številnih barv, od rdeče do vijolične. Vsak del spektra se lomi na svoj način. Poleg tega bo vrednost indikatorja za valovanje rdečega dela spektra vedno manjša od vrednosti drugih. Na primer, lomni količnik stekla TF-1 se spreminja od 1,6421 do 1,67298 oziroma od rdečega do vijoličnega dela spektra.

Primeri vrednosti za različne snovi

Tu so vrednosti absolutnih vrednosti, to je lomnega količnika, ko žarek prehaja iz vakuuma (ki je enakovreden zraku) skozi drugo snov.

Te številke bodo potrebne, če je treba določiti lomni količnik stekla glede na druge medije.

Katere druge količine se uporabljajo pri reševanju nalog?

Popoln odsev. Opazimo ga pri prehodu svetlobe iz gostejšega medija v manj gostega. Tu pri določenem vpadnem kotu pride do loma pod pravim kotom. To pomeni, da žarek drsi vzdolž meje dveh medijev.

Mejni kot popolnega odboja je njegova najmanjša vrednost, pri kateri svetloba ne uide v manj gost medij. Manj tega pomeni lom, več pa odboj v isti medij, iz katerega je svetloba prišla.

Naloga št. 1

Pogoj. Lomni količnik stekla ima vrednost 1,52. Treba je določiti mejni kot, pri katerem se svetloba popolnoma odbije od vmesnika površin: steklo z zrakom, voda z zrakom, steklo z vodo.

Uporabiti boste morali podatke o lomnem količniku za vodo iz tabele. Za zrak je enaka enoti.

Rešitev v vseh treh primerih je izračun po formuli:

sin α 0 /sin β = n 1 /n 2, kjer se n 2 nanaša na medij, iz katerega se svetloba širi, n 1 pa kamor prodira.

Črka α 0 označuje mejni kot. Vrednost kota β je 90 stopinj. To pomeni, da bo njegov sinus ena.

Za prvi primer: sin α 0 = 1 /n steklo, potem se izkaže, da je mejni kot enak arksinusu 1 /n stekla. 1/1,52 = 0,6579. Kot je 41,14º.

V drugem primeru morate pri določanju arkusina nadomestiti vrednost lomnega količnika vode. Delež 1 /n vode bo imel vrednost 1/1,33 = 0,7519. To je arkus kota 48,75º.

Tretji primer je opisan z razmerjem n vode in n stekla. Arkus sinus bo treba izračunati za ulomek: 1,33/1,52, to je število 0,875. Vrednost mejnega kota najdemo z njegovim arksinusom: 61,05º.

Odgovor: 41,14º, 48,75º, 61,05º.

Problem št. 2

Pogoj. Stekleno prizmo potopimo v posodo z vodo. Njegov lomni količnik je 1,5. Prizma temelji na pravokotnem trikotniku. Večja noga se nahaja pravokotno na dno, druga pa je vzporedna z njo. Svetlobni žarek normalno pade na zgornjo ploskev prizme. Kolikšen mora biti najmanjši kot med vodoravnim krakom in hipotenuzo, da svetloba doseže krak, ki je pravokoten na dno posode, in izstopi iz prizme?

Da lahko žarek izstopi iz prizme na opisani način, mora pasti pod največjim kotom na notranjo ploskev (tisto, ki je hipotenuza trikotnika v prerezu prizme). Ta mejni kot se izkaže za enak želenemu kotu pravokotnega trikotnika. Iz zakona o lomu svetlobe se izkaže, da je sinus mejnega kota, deljen s sinusom 90 stopinj, enak razmerju dveh lomnih količnikov: vode in stekla.

Izračuni vodijo do naslednje vrednosti za mejni kot: 62º30´.

ZA PREDAVANJE št. 24

"INSTRUMENTALNE METODE ANALIZE"

REFRAKTOMETRIJA.

Literatura:

1. V.D. Ponomarev “Analitična kemija” 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko “Analytical Chemistry” 2004 str. 181-184

REFRAKTOMETRIJA.

Refraktometrija je ena najpreprostejših fizikalnih analiznih metod z minimalno količino analita in se izvede v zelo kratkem času.

Refraktometrija- metoda, ki temelji na pojavu refrakcije ali refrakcije t.j. spreminjanje smeri širjenja svetlobe pri prehodu iz enega medija v drugega.

Lom, kot tudi absorpcija svetlobe, je posledica njene interakcije z medijem. Beseda refraktometrija pomeni merjenje lom svetlobe, ki ga ocenjujemo z vrednostjo lomnega količnika.

Vrednost lomnega količnika n odvisno

1) o sestavi snovi in ​​sistemov,

2) iz dejstva v kakšni koncentraciji ter katere molekule svetlobni žarek naleti svoji poti, saj Pod vplivom svetlobe se molekule različnih snovi različno polarizirajo. Na tej odvisnosti temelji refraktometrična metoda.

Ta metoda ima številne prednosti, zaradi česar je našla široko uporabo tako v kemijskih raziskavah kot pri nadzoru tehnoloških procesov.

1) Merjenje lomnih količnikov je zelo preprost postopek, ki se izvaja natančno in z minimalnim časom in količino snovi.

2) Običajno refraktometri zagotavljajo natančnost do 10 % pri določanju lomnega količnika svetlobe in vsebnosti analita

Metoda refraktometrije se uporablja za kontrolo pristnosti in čistosti, za identifikacijo posameznih snovi ter za ugotavljanje zgradbe organskih in anorganskih spojin pri preučevanju raztopin. Refraktometrija se uporablja za določanje sestave dvokomponentnih raztopin in za trojne sisteme.

Fizične osnove metode

LOMNI KOLIČNIK.

Večja kot je razlika v hitrosti širjenja svetlobe v obeh, večji je odklon svetlobnega žarka od prvotne smeri, ko prehaja iz enega medija v drugega.

teh okoljih.

Oglejmo si lom svetlobnega žarka na meji poljubnih dveh prozornih medijev I in II (glej sliko). Strinjamo se, da ima medij II večjo lomno moč in zato n 1 in n 2- prikazuje lomnost ustreznih medijev. Če medij I ni vakuum ali zrak, bo razmerje med sin vpadnim kotom svetlobnega žarka in sin lomnim kotom dalo vrednost relativnega lomnega količnika n rel. Vrednost n rel. lahko opredelimo tudi kot razmerje lomnih količnikov obravnavanega medija.

n rel. = ----- = ---

Vrednost lomnega količnika je odvisna od

1) narava snovi

Naravo snovi v tem primeru določa stopnja deformabilnosti njenih molekul pod vplivom svetlobe - stopnja polarizabilnosti. Intenzivnejša kot je polarizabilnost, močnejši je lom svetlobe.

2)valovna dolžina vpadne svetlobe

Meritev lomnega količnika se izvede pri svetlobni valovni dolžini 589,3 nm (črta D natrijevega spektra).

Odvisnost lomnega količnika od valovne dolžine svetlobe imenujemo disperzija. Krajša kot je valovna dolžina, večji je lom. Zato se žarki različnih valovnih dolžin različno lomijo.

3)temperaturo , pri kateri se izvaja meritev. Predpogoj za določitev lomnega količnika je skladnost s temperaturnim režimom. Običajno se določanje izvaja pri 20±0,3 0 C.

Z naraščanjem temperature se lomni količnik zmanjšuje; z zniževanjem temperature se povečuje..

Popravek za temperaturne učinke se izračuna po naslednji formuli:

n t =n 20 + (20-t) 0,0002, kjer je

n t – adijo lomni količnik pri dani temperaturi,

n 20 - lomni količnik pri 20 0 C

Vpliv temperature na vrednosti lomnih količnikov plinov in tekočin je povezan z vrednostmi njihovih volumetričnih koeficientov raztezanja. Prostornina vseh plinov in tekočin se pri segrevanju poveča, gostota se zmanjša in posledično se indikator zmanjša

Lomni količnik, izmerjen pri 20 0 C in valovni dolžini svetlobe 589,3 nm, je označen z indeksom n D 20

Odvisnost lomnega količnika homogenega dvokomponentnega sistema od njegovega stanja se eksperimentalno ugotovi z določitvijo lomnega količnika za številne standardne sisteme (na primer raztopine), katerih vsebnost komponent je znana.

4) koncentracija snovi v raztopini.

Za številne vodne raztopine snovi so lomni količniki pri različnih koncentracijah in temperaturah zanesljivo izmerjeni, v teh primerih pa je mogoče uporabiti referenčne knjige refraktometrične mize. Praksa kaže, da ko vsebnost raztopljene snovi ne presega 10-20%, je skupaj z grafično metodo v mnogih primerih mogoče uporabiti linearna enačba, kot je:

n=n o +FC,

n- lomni količnik raztopine,

št- lomni količnik čistega topila,

C- koncentracija topljenca,%

F-empirični koeficient, katerega vrednost se najde

z določanjem lomnih količnikov raztopin znane koncentracije.

REFRAKTOMETRI.

Refraktometri so instrumenti, ki se uporabljajo za merjenje lomnega količnika. Obstajata dve vrsti teh naprav: refraktometer tipa Abbe in refraktometer tipa Pulfrich. V obeh primerih meritve temeljijo na določanju največjega lomnega kota. V praksi se uporabljajo refraktometri različnih sistemov: laboratorijski RL, univerzalni RL itd.

Indeks loma destilirane vode je n 0 = 1,33299, vendar se praktično ta indikator vzame kot referenca kot n 0 =1,333.

Načelo delovanja refraktometrov temelji na določanju lomnega količnika z metodo mejnega kota (kot popolnega odboja svetlobe).

Ročni refraktometer

Abbejev refraktometer

Laboratorijsko delo

Lom svetlobe. Merjenje lomnega količnika tekočine

z uporabo refraktometra

Namen dela: poglabljanje razumevanja pojava loma svetlobe; študij metod za merjenje lomnega količnika tekočih medijev; preučevanje principa dela z refraktometrom.

Oprema: refraktometer, raztopine natrijevega klorida, pipeta, mehka krpa za brisanje optičnih delov instrumentov.

Teorija

Zakoni odboja in loma svetlobe. Lomni količnik.

Na meji med mediji svetloba spremeni smer svojega širjenja. Del svetlobne energije se vrne v prvi medij, tj. svetloba se odbija. Če je drugi medij prozoren, potem del svetlobe pod določenimi pogoji preide skozi vmesnik med mediji, običajno spremeni smer širjenja. Ta pojav imenujemo lom svetlobe (slika 1).

riž. 1. Odboj in lom svetlobe na ravni meji med dvema medijema.

Smer odbitih in lomljenih žarkov pri prehodu svetlobe skozi ravno ploskev med dvema prozornima medijema določajo zakoni odboja in loma svetlobe.

Zakon odboja svetlobe. Odbiti žarek leži v isti ravnini kot vpadni žarek in normala, vzpostavljena na ravnino ločevanja medijev v točki vpada. Vpadni kot je enak odbojnemu kotu .

Zakon loma svetlobe. Lomljeni žarek leži v isti ravnini kot vpadni žarek in normala, vzpostavljena na ravnino ločevanja medijev na točki vpada. Sinusno razmerje vpadnega kota α na sinus lomnega kota β za ta dva medija obstaja konstantna vrednost, imenovana relativni lomni količnik drugega medija glede na prvega:

Relativni lomni količnik dva medija je enaka razmerju hitrosti svetlobe v prvem mediju v ​​1 do hitrosti svetlobe v drugem mediju v ​​2:

Če svetloba prihaja iz vakuuma v medij, se lomni količnik medija glede na vakuum imenuje absolutni lomni količnik tega medija in je enak razmerju hitrosti svetlobe v vakuumu. z hitrosti svetlobe v danem mediju:

Absolutni lomni količniki so vedno večji od enote; za zrak n vzeti kot eno.

Relativni lomni količnik dveh medijev je mogoče izraziti z njunima absolutnima indeksoma n 1 in n 2 :

Določanje lomnega količnika tekočine

Za hitro in priročno določanje lomnega količnika tekočin obstajajo posebni optični instrumenti - refraktometri, katerih glavni del sta dve prizmi (slika 2): pomožna Ave. 1 in merjenje Pr.2. Tekočina za testiranje se vlije v režo med prizmama.

Pri merjenju indikatorjev lahko uporabimo dve metodi: metodo pašnega žarka (za prozorne tekočine) in metodo popolnega notranjega odboja (za temne, motne in obarvane raztopine). V tem delu je uporabljen prvi od njih.

Pri metodi pašnega žarka gre svetloba iz zunanjega vira skozi obraz AB prizme Projekt 1, razprši na svoji mat površini AC in nato prodre skozi plast preučevane tekočine v prizmo Pr.2. Mat površina postane vir žarkov v vse smeri, zato jo lahko opazujemo skozi rob EF prizme Pr.2. Vendar rob AC je mogoče videti skozi EF samo pod kotom, večjim od določenega minimalnega kota i. Velikost tega kota je edinstveno povezana z lomnim količnikom tekočine, ki se nahaja med prizmami, kar je glavna ideja zasnove refraktometra.

Upoštevajte prehod svetlobe skozi obraz EF spodnja merilna prizma Pr.2. Kot je razvidno iz sl. 2, z dvakratno uporabo zakona o lomu svetlobe, lahko dobimo dve razmerji:

Z reševanjem tega sistema enačb je enostavno priti do zaključka, da je lomni količnik tekočine

odvisno od štirih količin: Q, r, r 1 in i. Niso pa vsi neodvisni. Torej, npr.

r+ s= R , (4)

kje R - lomni kot prizme Projekt 2. Poleg tega z nastavitvijo kota Q največja vrednost je 90°, iz enačbe (1) dobimo:

Toda največja vrednost kota r , kot je razvidno iz sl. 2 in razmerji (3) in (4) ustrezata najmanjši vrednosti kota i in r 1 , tiste. i min in r min .

Tako je lomni količnik tekočine za primer "pašnih" žarkov povezan le s kotom i. V tem primeru obstaja najmanjša vrednost kota i, ko rob AC je še vidna, to pomeni, da je v vidnem polju videti zrcalno bela. Pri manjših kotih gledanja rob ni viden, v vidnem polju pa je to mesto črno. Ker teleskop naprave zajame razmeroma široko kotno območje, se v vidnem polju hkrati opazujejo svetla in črna območja, meja med katerimi ustreza najmanjšemu kotu opazovanja in je edinstveno povezana z lomnim količnikom tekočine. Uporaba končne formule za izračun:

(njen zaključek je izpuščen) in številne tekočine z znanimi lomnimi količniki, lahko napravo umerite, tj. vzpostavite edinstveno ujemanje med lomnimi količniki tekočin in koti i min . Vse navedene formule so izpeljane za žarke določene valovne dolžine.

Svetloba različnih valovnih dolžin se bo lomila ob upoštevanju disperzije prizme. Ko torej prizmo osvetlimo z belo svetlobo, bo vmesnik zamegljen in obarvan v različnih barvah zaradi disperzije. Zato ima vsak refraktometer kompenzator, ki odpravlja posledico disperzije. Lahko je sestavljen iz ene ali dveh neposrednih prizm - Amici prizme. Vsaka prizma Amici je sestavljena iz treh steklenih prizm z različnimi lomnimi količniki in različno disperzijo, na primer zunanje prizme so izdelane iz kronskega stekla, srednja pa iz kremenčevega stekla (kronsko steklo in kremenčevo steklo sta vrsti stekla). Z vrtenjem prizme kompenzatorja s posebno napravo dosežemo ostro, brezbarvno sliko meje, katere položaj ustreza vrednosti lomnega količnika rumene natrijeve črte. λ =5893 Å (prizme so zasnovane tako, da žarki z valovno dolžino 5893 Å ne doživijo odklona).

Žarki, ki gredo skozi kompenzator, vstopijo v lečo teleskopa, nato pa gredo skozi obračalno prizmo skozi okular teleskopa v oko opazovalca. Shematična pot žarkov je prikazana na sl. 3.

Lestvica refraktometra je umerjena v vrednosti lomnega količnika in koncentracije raztopine saharoze v vodi in se nahaja v goriščni ravnini okularja.

Eksperimentalni del

Naloga 1. Preverjanje refraktometra.

Z ogledalom usmerite svetlobo na pomožno prizmo refraktometra. Z dvignjeno pomožno prizmo s pipeto nakapajte nekaj kapljic destilirane vode na merilno prizmo. S spuščanjem pomožne prizme dosežemo najboljšo osvetlitev vidnega polja in nastavimo okular tako, da sta dobro vidna nitni križ in skala lomnega količnika. Z vrtenjem kamere merilne prizme dobimo mejo svetlobe in sence v vidnem polju. Z vrtenjem glave kompenzatorja dosežete odpravo obarvanosti meje med svetlobo in senco. Poravnajte mejo svetlobe in sence s točko nitnega križa in izmerite lomni količnik vode n sprememba . Če refraktometer deluje pravilno, mora biti vrednost za destilirano vodo enaka n 0 = 1.333, če se odčitki razlikujejo od te vrednosti, je treba določiti spremembo Δn= n sprememba - 1.333, kar je treba upoštevati pri nadaljnjem delu z refraktometrom. Prosimo, da popravite tabelo 1.

Tabela 1.

Naloga 2. Določanje lomnega količnika tekočine.

Določite lomne količnike raztopin znanih koncentracij ob upoštevanju ugotovljenega popravka.

Tabela 2.

Na podlagi dobljenih rezultatov izrišite graf odvisnosti lomnega količnika raztopin kuhinjske soli od koncentracije. Sklepajte o odvisnosti n od C; sklepati o točnosti meritev z refraktometrom.

Vzemite raztopino soli neznane koncentracije Z x , določite njen lomni količnik in s pomočjo grafa poiščite koncentracijo raztopine.

Očistite delovno območje in previdno obrišite prizme refraktometra z vlažno, čisto krpo.

Varnostna vprašanja

Odboj in lom svetlobe.

Absolutni in relativni lomni količniki medija.

Načelo delovanja refraktometra. Metoda drsnega žarka.

Shema poti žarkov v prizmi. Zakaj so potrebne kompenzatorske prizme?

Širjenje, odboj in lom svetlobe

Narava svetlobe je elektromagnetna. Eden od dokazov za to je sovpadanje hitrosti elektromagnetnega valovanja in svetlobe v vakuumu.

V homogenem mediju svetloba potuje premočrtno. To trditev imenujemo zakon o premočrtnem širjenju svetlobe. Eksperimentalni dokaz tega zakona so ostre sence, ki jih proizvajajo točkasti viri svetlobe.

Geometrična črta, ki označuje smer širjenja svetlobe, se imenuje svetlobni žarek. V izotropnem mediju so svetlobni žarki usmerjeni pravokotno na valovno fronto.

Geometrično lokacijo točk v mediju, ki nihajo v isti fazi, imenujemo valovna ploskev, množico točk, do katerih je nihanje doseglo v danem trenutku, pa valovno fronto. Glede na vrsto valovne fronte ločimo ravne in sferične valove.

Za razlago procesa širjenja svetlobe se uporablja splošno načelo valovne teorije o gibanju valovne fronte v prostoru, ki ga je predlagal nizozemski fizik H. Huygens. Po Huygensovem principu je vsaka točka v mediju, do katere seže svetlobno vzbujanje, središče sferičnih sekundarnih valov, ki se prav tako širijo s svetlobno hitrostjo. Površina, ki obdaja fronte teh sekundarnih valov, podaja položaj fronte valovanja, ki se dejansko širi v tistem trenutku.

Treba je razlikovati med svetlobnimi žarki in svetlobnimi žarki. Svetlobni žarek je del svetlobnega vala, ki prenaša svetlobno energijo v dani smeri. Pri zamenjavi svetlobnega žarka s svetlobnim žarkom, ki ga opisuje, je treba slednjega vzeti tako, da sovpada z osjo dovolj ozke, a hkrati končne širine (dimenzije preseka so veliko večje od valovne dolžine) svetlobe. žarek.

Obstajajo divergentni, konvergentni in kvaziparalelni svetlobni žarki. Pogosto se uporablja izraz snop svetlobnih žarkov ali preprosto svetlobni žarki, kar pomeni skupek svetlobnih žarkov, ki opisujejo pravi svetlobni snop.

Hitrost svetlobe v vakuumu c = 3 108 m/s je univerzalna konstanta in ni odvisna od frekvence. Hitrost svetlobe je z astronomsko metodo prvič eksperimentalno določil danski znanstvenik O. Roemer. Natančneje je hitrost svetlobe izmeril A. Michelson.

V snovi je hitrost svetlobe manjša kot v vakuumu. Razmerje med hitrostjo svetlobe v vakuumu in njeno hitrostjo v danem mediju imenujemo absolutni lomni količnik medija:

kjer je c hitrost svetlobe v vakuumu, v je hitrost svetlobe v danem mediju. Absolutni lomni količniki vseh snovi so večji od enote.

Ko se svetloba širi skozi medij, se absorbira in razprši, na meji med mediji pa se odbija in lomi.

Zakon odboja svetlobe: vpadni žarek, odbiti žarek in pravokotnica na vmesnik med dvema medijema, obnovljena na vpadni točki žarka, ležijo v isti ravnini; odbojni kot g je enak vpadnemu kotu a (slika 1). Ta zakon sovpada z zakonom odboja valov katere koli narave in ga je mogoče dobiti kot posledico Huygensovega načela.

Zakon loma svetlobe: vpadni žarek, lomljeni žarek in pravokotnica na mejo med dvema medijema, obnovljena na vpadni točki žarka, ležijo v isti ravnini; razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota za dano frekvenco svetlobe je konstantna vrednost, ki se imenuje relativni lomni količnik drugega medija glede na prvega:

Eksperimentalno ugotovljen zakon loma svetlobe je razložen na podlagi Huygensovega principa. Po valovnih konceptih je refrakcija posledica spremembe hitrosti širjenja valov pri prehodu iz enega medija v drugega, fizični pomen relativnega lomnega količnika pa je razmerje med hitrostjo širjenja valov v prvem mediju v1 in hitrost njihovega širjenja v drugem mediju

Za medije z absolutnim lomnim količnikom n1 in n2 je relativni lomni količnik drugega medija glede na prvega enak razmerju med absolutnim lomnim količnikom drugega medija in absolutnim lomnim količnikom prvega medija:

Medij, ki ima večji lomni količnik, se imenuje optično gostejši, hitrost širjenja svetlobe v njem je manjša. Če svetloba prehaja iz optično gostejšega medija v optično manj gosto, potem mora pri določenem vpadnem kotu a0 lomni kot postati enak p/2. Intenzivnost lomljenega žarka v tem primeru postane enaka nič. Svetloba, ki pade na vmesnik med dvema medijema, se od njega popolnoma odbije.

Vpadni kot a0, pri katerem pride do popolnega notranjega odboja svetlobe, imenujemo mejni kot popolnega notranjega odboja. Pri vseh vpadnih kotih, ki so enaki in večji od a0, pride do popolnega odboja svetlobe.

Vrednost mejnega kota dobimo iz relacije Če je n2 = 1 (vakuum), potem

2 Lomni količnik snovi je vrednost, ki je enaka razmerju faznih hitrosti svetlobe (elektromagnetnega valovanja) v vakuumu in v določenem mediju. Govorijo tudi o lomnem količniku za katero koli drugo valovanje, na primer zvok

Lomni količnik je odvisen od lastnosti snovi in ​​valovne dolžine sevanja, pri nekaterih snoveh se lomni količnik precej spremeni, ko se frekvenca elektromagnetnega valovanja spremeni od nizkih frekvenc do optičnih in čez, lahko pa se spremeni še močneje v določenih področjih frekvenčne lestvice. Privzeta vrednost se običajno nanaša na optični obseg ali obseg, ki ga določa kontekst.

Obstajajo optično anizotropne snovi, pri katerih je lomni količnik odvisen od smeri in polarizacije svetlobe. Takšne snovi so precej pogoste, zlasti so vsi kristali z dokaj nizko simetrijo kristalne mreže, pa tudi snovi, ki so izpostavljene mehanskim deformacijam.

Indeks loma se lahko izrazi kot koren produkta magnetne in dielektrične konstante medija

(upoštevati je treba, da se lahko vrednosti magnetne prepustnosti in absolutne dielektrične konstante za frekvenčno območje, ki nas zanima - na primer optično - zelo razlikujejo od statične vrednosti teh vrednosti).

Za merjenje lomnega količnika se uporabljajo ročni in avtomatski refraktometri. Kadar se za določanje koncentracije sladkorja v vodni raztopini uporablja refraktometer, se naprava imenuje saharimeter.

Razmerje med sinusom vpadnega kota () žarka in sinusom lomnega kota (), ko žarek prehaja iz medija A v medij B, se imenuje relativni lomni količnik za ta par medijev.

Količina n je relativni lomni količnik medija B glede na medij A, аn" = 1/n je relativni lomni količnik medija A glede na medij B.

Ta vrednost je ob drugih enakih pogojih običajno manjša od enote, ko žarek prehaja iz bolj gostega medija v manj gost medij, in večja od enote, ko žarek prehaja iz manj gostega medija v gostejši medij (npr. plin ali iz vakuuma v tekočino ali trdno snov). Obstajajo izjeme od tega pravila, zato je običajno, da medij optično imenujemo bolj ali manj gost kot drug (ne smemo zamenjevati z optično gostoto kot merilom motnosti medija).

Žarek, ki pade iz brezzračnega prostora na površino nekega medija B, se lomi močneje kot pri padcu nanj iz drugega medija A; Lomni količnik žarka, ki vpada na medij iz brezzračnega prostora, se imenuje njegov absolutni lomni količnik ali preprosto lomni količnik danega medija, katerega definicija je podana na začetku članka. Lomni količnik katerega koli plina, vključno z zrakom, je v normalnih pogojih veliko manjši od lomnega količnika tekočin ali trdnih snovi, zato lahko približno (in z relativno dobro natančnostjo) absolutni lomni količnik ocenimo z lomnim količnikom glede na zrak.

riž. 3. Princip delovanja interferenčnega refraktometra. Svetlobni žarek je razdeljen tako, da gresta njegova dva dela skozi kivete dolžine l, napolnjene s snovmi z različnimi lomnimi količniki. Na izhodu iz kivet žarki pridobijo določeno razliko v poti in, ko se združijo, dajo na zaslonu sliko interferenčnih maksimumov in minimumov s k vrst (shematično prikazano na desni). Razlika lomnega količnika Dn=n2 –n1 =kl/2, kjer je l valovna dolžina svetlobe.

Refraktometri so instrumenti, ki se uporabljajo za merjenje lomnega količnika snovi. Načelo delovanja refraktometra temelji na pojavu popolnega odboja. Če razpršeni žarek svetlobe pade na mejo med dvema medijema z lomnimi količniki in iz optično bolj gostega medija, potem začenši z določenim vpadnim kotom, žarki ne vstopijo v drugi medij, ampak se popolnoma odbijejo od meje. v prvem mediju. Ta kot se imenuje mejni kot popolnega odboja. Slika 1 prikazuje obnašanje žarkov pri padcu v določen tok te površine. Žarek pride pod skrajnim kotom. Iz lomnega zakona lahko določimo: , (ker).

Velikost mejnega kota je odvisna od relativnega lomnega količnika obeh medijev. Če so žarki, ki se odbijajo od površine, usmerjeni na zbirno lečo, potem v goriščni ravnini leče vidite mejo svetlobe in penumbre, položaj te meje pa je odvisen od vrednosti omejevalnega kota in s tem od lomni količnik. Sprememba lomnega količnika enega od medijev povzroči spremembo položaja vmesnika. Meja med svetlobo in senco lahko služi kot indikator pri določanju lomnega količnika, ki se uporablja v refraktometrih.

Ta metoda določanja lomnega količnika se imenuje metoda popolnega odboja

Poleg metode popolnega odboja refraktometri uporabljajo metodo pašnega žarka.

Pri tej metodi razpršeni žarek svetlobe zadene mejo iz manj optično gostega medija pod vsemi možnimi koti (slika 2). Žarek, ki drsi po površini (), ustreza mejnemu lomnemu kotu (žarek na sliki 2). Če postavimo lečo na pot žarkov (), ki se lomijo na površini, potem bomo v goriščni ravnini leče videli tudi ostro mejo med svetlobo in senco.

Ker so pogoji, ki določajo vrednost mejnega kota, enaki pri obeh metodah, je položaj vmesnika enak. Obe metodi sta enakovredni, vendar metoda popolnega odboja omogoča merjenje lomnega količnika neprozornih snovi

Pot žarkov v trikotni prizmi = 589,3 µm.

(valovna dolžina natrijeve rumene črte) ni bila testirana po prehodu kompenzatorja deformacije. Žarke z drugimi valovnimi dolžinami prizme odbijajo v različne smeri. S premikanjem kompenzatorskih prizem s posebnim ročajem poskrbimo, da postane meja med svetlobo in temo čim bolj jasna.

Svetlobni žarki, ki preidejo kompenzator, vstopijo v lečo 6 teleskopa. Slika vmesnika svetloba-senca se gleda skozi okular 7 teleskopa. Hkrati se lestvica 8 gleda skozi okular, ker sta mejni lomni kot in mejni kot popolnega odboja odvisna od lomnega količnika tekočine, so vrednosti tega lomnega količnika takoj označene na skali refraktometra. .