En yüksek kırılma indeksi. Sözleşmeli üretim

Işık doğası gereği farklı ortamlarda farklı hızlarda hareket eder. Ortam ne kadar yoğun olursa, ışığın yayılma hızı da o kadar düşük olur. Hem malzemenin yoğunluğuna hem de bu malzemedeki ışığın yayılma hızına ilişkin uygun bir ölçüm oluşturulmuştur. Bu ölçüme kırılma indisi adı verildi. Herhangi bir malzeme için kırılma indisi, ışığın boşluktaki hızına göre ölçülür (vakum genellikle boş alan olarak adlandırılır). Aşağıdaki formül bu ilişkiyi açıklamaktadır.

Bir malzemenin kırılma indisi ne kadar yüksekse o kadar yoğundur. Bir ışık ışını bir malzemeden diğerine (farklı bir kırılma indisine sahip) geçtiğinde, kırılma açısı geliş açısından farklı olacaktır. Kırılma indisi daha düşük olan bir ortama giren ışık ışını, gelme açısından daha büyük bir açıyla dışarı çıkacaktır. Kırılma indisi yüksek bir ortama giren ışık ışını, gelme açısından daha küçük bir açıyla dışarı çıkacaktır. Bu, Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.5.

Pirinç. 3.5.a. Yüksek N 1 ortamından düşük N 2 ortamına geçen ışın

Pirinç. 3.5.b. Düşük N1 ortamından yüksek N2 ortamına geçen ışın

Bu durumda θ 1 geliş açısı, θ 2 ise kırılma açısıdır. Bazı tipik kırılma indisleri aşağıda listelenmiştir.

X-ışınları için camın kırılma indisinin her zaman havanınkinden daha az olması ilginçtir, bu nedenle havadan cama geçerken ışık ışınları gibi dike doğru değil dikten uzağa doğru saparlar.

Kırılma yasasını formüle ederken §81'de tanıttığımız kırılma indisini daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Kırılma indisi, hem ışının düştüğü ortamın hem de nüfuz ettiği ortamın optik özelliklerine bağlıdır. Boşluktan gelen ışık herhangi bir ortama düştüğünde elde edilen kırılma indisine o ortamın mutlak kırılma indisi denir.

Pirinç. 184. İki ortamın bağıl kırılma indisi:

Birinci ortamın mutlak kırılma indisi ve ikinci ortamın mutlak kırılma indisi - olsun. Birinci ve ikinci ortamın sınırındaki kırılma dikkate alındığında, birinci ortamdan ikinciye geçiş sırasındaki kırılma indisinin, yani göreceli kırılma indisinin, ortamın mutlak kırılma indislerinin oranına eşit olmasını sağlıyoruz. ikinci ve birinci medya:

(Şek. 184). Aksine, ikinci ortamdan birinciye geçerken göreceli bir kırılma indisine sahip oluruz.

İki ortamın bağıl kırılma indisi ile mutlak kırılma indisleri arasında kurulan bağlantı, tıpkı tersinirlik yasası için yapılabileceği gibi (§82), yeni deneyler olmadan teorik olarak türetilebilir,

Daha yüksek kırılma indisine sahip bir ortama optik olarak daha yoğun denir. Çeşitli ortamların havaya göre kırılma indisi genellikle ölçülür. Havanın mutlak kırılma indisi. Bu nedenle, herhangi bir ortamın mutlak kırılma indisi, aşağıdaki formülle havaya göre kırılma indisi ile ilişkilidir.

Tablo 6. Çeşitli maddelerin havaya göre kırılma indisi

Kırılma indisi ışığın dalga boyuna, yani rengine bağlıdır. Farklı renkler farklı kırılma indekslerine karşılık gelir. Dispersiyon adı verilen bu olay optikte önemli bir rol oynar. Bu olguyu sonraki bölümlerde tekrar tekrar ele alacağız. Tabloda verilen veriler. 6, sarı ışığa bakın.

Yansıma yasasının resmi olarak kırılma yasasıyla aynı biçimde yazılabildiğini belirtmek ilginçtir. Her zaman dik açıdan karşılık gelen ışına kadar olan açıları ölçme konusunda anlaştığımızı hatırlayalım. Bu nedenle, geliş açısı ile yansıma açısının zıt işaretlere sahip olduğunu düşünmeliyiz; yansıma yasası şu şekilde yazılabilir:

(83.4)'ü kırılma kanunu ile karşılaştırdığımızda, yansıma kanununun, kırılma kanununun özel bir durumu olarak değerlendirilebileceğini görüyoruz. Yansıma ve kırılma yasalarının bu biçimsel benzerliği, pratik sorunların çözümünde büyük fayda sağlar.

Önceki sunumda kırılma indisi, içinden geçen ışığın yoğunluğundan bağımsız olarak ortamın sabiti anlamına geliyordu. Kırılma indisinin bu şekilde yorumlanması oldukça doğaldır, ancak modern lazerler kullanılarak elde edilebilen yüksek radyasyon yoğunlukları durumunda bu doğrulanmaz. Güçlü ışık ışınımının geçtiği ortamın özellikleri bu durumda yoğunluğuna bağlıdır. Dedikleri gibi, ortam doğrusal olmayan hale geliyor. Ortamın doğrusal olmaması, özellikle yüksek yoğunluklu bir ışık dalgasının kırılma indisini değiştirmesiyle kendini gösterir. Kırılma indisinin radyasyon yoğunluğuna bağımlılığı şu şekildedir:

Burada olağan kırılma indisi, doğrusal olmayan kırılma indisidir ve orantı faktörüdür. Bu formüldeki ek terim pozitif ya da negatif olabilir.

Kırılma indeksindeki göreceli değişiklikler nispeten küçüktür. Doğrusal olmayan kırılma indeksinde. Bununla birlikte, kırılma indeksindeki bu kadar küçük değişiklikler bile dikkat çekicidir: kendilerini, ışığın kendi kendine odaklanması gibi tuhaf bir fenomenle gösterirler.

Pozitif doğrusal olmayan kırılma indisine sahip bir ortam düşünelim. Bu durumda, ışık yoğunluğunun arttığı alanlar aynı zamanda kırılma indisinin de arttığı alanlardır. Tipik olarak, gerçek lazer radyasyonunda, bir ışın demetinin kesiti üzerindeki yoğunluk dağılımı düzgün değildir: yoğunluk eksen boyunca maksimumdur ve Şekil 2'de gösterildiği gibi ışının kenarlarına doğru düzgün bir şekilde azalır. 185 katı eğri. Benzer bir dağılım aynı zamanda lazer ışınının yayıldığı eksen boyunca doğrusal olmayan bir ortama sahip bir hücrenin kesiti boyunca kırılma indisindeki değişimi de tanımlar. Küvetin ekseni boyunca en büyük olan kırılma indisi, duvarlarına doğru düzgün bir şekilde azalır (Şekil 185'teki kesikli eğriler).

Lazeri eksene paralel olarak bırakan ve değişken kırılma indisine sahip bir ortama giren ışın demeti, daha büyük olduğu yönde saptırılır. Bu nedenle, küvetin yakınında artan yoğunluk, kesitlerde ve Şekil 2'de şematik olarak gösterilen bu alanda ışık ışınlarının yoğunlaşmasına neden olur. 185 ve bu daha da fazla bir artışa yol açıyor. Sonuçta doğrusal olmayan bir ortamdan geçen ışık ışınının etkin kesiti önemli ölçüde azalır. Işık, yüksek kırılma indisine sahip dar bir kanaldan geçer. Böylece lazer ışın demeti daralır ve yoğun radyasyonun etkisi altındaki doğrusal olmayan ortam toplayıcı mercek görevi görür. Bu olguya kendine odaklanma denir. Örneğin sıvı nitrobenzende gözlemlenebilir.

Pirinç. 185. Küvetin girişindeki (a), giriş ucunun yakınında (), ortada (), küvetin çıkış ucunun yakınında () bir lazer ışın ışınının kesiti üzerinde radyasyon yoğunluğunun ve kırılma indeksinin dağılımı ( )

Optik problemlerini çözerken sıklıkla camın, suyun veya başka bir maddenin kırılma indisini bilmeniz gerekir. Üstelik farklı durumlarda bu miktarın hem mutlak hem de göreceli değerleri kullanılabilir.

İki tür kırılma indisi

Öncelikle bu sayının neyi gösterdiğinden bahsedelim: Şu veya bu şeffaf ortamda ışığın yayılma yönünün nasıl değiştiği. Dahası, bir elektromanyetik dalga boşluktan gelebilir ve daha sonra camın veya başka bir maddenin kırılma indisi mutlak olarak adlandırılacaktır. Çoğu durumda değeri 1 ila 2 arasındadır. Sadece çok nadir durumlarda kırılma indisi ikiden büyüktür.

Nesnenin önünde boşluktan daha yoğun bir ortam varsa, o zaman göreceli bir değerden söz ederler. Ve iki mutlak değerin oranı olarak hesaplanır. Örneğin su camının bağıl kırılma indisi, cam ve suyun mutlak değerlerinin oranına eşit olacaktır.

Her durumda, Latince “en” - n harfiyle gösterilir. Bu değer aynı değerlerin birbirine bölünmesiyle elde edilir, dolayısıyla adı olmayan bir katsayıdır.

Kırılma indisini hesaplamak için hangi formülü kullanabilirsiniz?

Gelme açısını “alfa” ve kırılma açısını “beta” olarak alırsak kırılma indisinin mutlak değerinin formülü şu şekilde olur: n = sin α/sin β. İngiliz dili literatüründe sıklıkla farklı bir tanım bulabilirsiniz. Gelme açısı i ve kırılma açısı r olduğunda.

Cam ve diğer şeffaf ortamlarda ışığın kırılma indisinin nasıl hesaplanacağına dair başka bir formül daha vardır. Işığın boşluktaki hızıyla ilgilidir ve aynı, ancak söz konusu maddede.

O zaman şöyle görünür: n = c/νλ. Burada c ışığın boşluktaki hızı, ν şeffaf ortamdaki hızı ve λ dalga boyudur.

Kırılma indisi neye bağlıdır?

Işığın söz konusu ortamda yayılma hızına göre belirlenir. Bu bakımdan hava, boşluğa çok yakındır, bu nedenle ışık dalgaları, orijinal yönlerinden sapmadan pratik olarak onun içinde yayılır. Bu nedenle, cam havanın veya havayı çevreleyen herhangi bir maddenin kırılma indisi belirlenirse, ikincisi geleneksel olarak bir vakum olarak alınır.

Her ortamın kendine has özellikleri vardır. Farklı yoğunlukları vardır, kendi sıcaklıkları ve elastik gerilmeleri vardır. Bütün bunlar, madde tarafından ışığın kırılmasının sonucunu etkiler.

Işığın özellikleri dalga yayılım yönünün değişmesinde önemli rol oynar. Beyaz ışık kırmızıdan mora kadar pek çok renkten oluşur. Spektrumun her bir kısmı kendi yolunda kırılır. Dahası, spektrumun kırmızı kısmının dalgasına ilişkin göstergenin değeri her zaman geri kalanından daha az olacaktır. Örneğin, TF-1 camının kırılma indisi, spektrumun kırmızıdan mor kısmına sırasıyla 1,6421 ila 1,67298 arasında değişmektedir.

Farklı maddeler için değer örnekleri

İşte mutlak değerlerin değerleri, yani bir ışının boşluktan (havaya eşdeğer) başka bir maddeden geçerken kırılma indisi.

Camın diğer ortamlara göre kırılma indeksinin belirlenmesi gerekiyorsa bu rakamlara ihtiyaç duyulacaktır.

Problemleri çözerken başka hangi nicelikler kullanılır?

Toplam yansıma. Işığın çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçmesiyle gözlenir. Burada belirli bir geliş açısında dik açıda kırılma meydana gelir. Yani ışın iki ortamın sınırı boyunca kayar.

Toplam yansımanın sınır açısı, ışığın daha az yoğun bir ortama kaçmadığı minimum değerdir. Daha azı kırılma anlamına gelir ve daha fazlası ışığın hareket ettiği ortama yansıma anlamına gelir.

Görev No.1

Durum. Camın kırılma indisi 1,52 değerine sahiptir. Işığın yüzeylerin arayüzeyinden tamamen yansıdığı sınır açısını belirlemek gerekir: cam ile hava, su ile hava, cam ile su.

Su için tabloda verilen kırılma indisi verilerini kullanmanız gerekecektir. Hava için birliğe eşit alınır.

Her üç durumda da çözüm, aşağıdaki formülü kullanan hesaplamalara dayanır:

sin α 0 /sin β = n 1 /n 2, burada n 2, ışığın yayıldığı ortamı ve n 1, ışığın nüfuz ettiği ortamı belirtir.

α 0 harfi sınır açısını belirtir. β açısının değeri 90 derecedir. Yani sinüsü bir olacaktır.

İlk durum için: sin α 0 = 1 /n cam, o zaman sınırlama açısının 1 /n camın ark sinüsüne eşit olduğu ortaya çıkar. 1/1,52 = 0,6579. Açı 41,14°'dir.

İkinci durumda, ark sinüsünü belirlerken suyun kırılma indisinin değerini değiştirmeniz gerekir. Suyun 1/n oranı 1/1,33 = 0,7519 değerini alacaktır. Bu 48,75° açısının ark sinüsüdür.

Üçüncü durum n su ve n cam oranıyla açıklanmaktadır. Kesir için ark sinüsünün hesaplanması gerekecektir: 1,33/1,52, yani 0,875 sayısı. Sınır açısının değerini ark sinüsüne göre buluyoruz: 61.05°.

Cevap: 41,14°, 48,75°, 61,05°.

Sorun No. 2

Durum. İçinde su bulunan bir kaba bir cam prizma daldırılır. Kırılma indisi 1,5'tir. Prizma dik üçgene dayanmaktadır. Büyük bacak tabana dik, ikincisi ise ona paraleldir. Bir ışık ışını prizmanın üst yüzüne normal olarak düşer. Işığın kabın tabanına dik olan bacağa ulaşması ve prizmadan çıkması için yatay bacak ile hipotenüs arasındaki en küçük açı ne olmalıdır?

Işının prizmadan anlatılan şekilde çıkabilmesi için iç yüze (prizmanın kesitindeki üçgenin hipotenüsü olan) maksimum açıyla düşmesi gerekir. Bu sınırlayıcı açının dik üçgenin istenilen açısına eşit olduğu ortaya çıkar. Işığın kırılma yasasından, sınırlayıcı açının sinüsünün 90 derecelik sinüse bölünmesinin, iki kırılma indeksinin: suyun cama oranına eşit olduğu ortaya çıkıyor.

Hesaplamalar sınırlama açısı için şu değeri verir: 62°30´.

24 No'lu DERS İÇİN

"ARAÇLI ANALİZ YÖNTEMLERİ"

REFRAKTOMETRİ.

Edebiyat:

1. V.D. Ponomarev “Analitik Kimya” 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko “Analitik Kimya” 2004 s. 181-184

REFRAKTOMETRİ.

Refraktometri, minimum miktarda analit kullanılarak yapılan en basit fiziksel analiz yöntemlerinden biridir ve çok kısa sürede gerçekleştirilir.

Refraktometri- kırılma veya kırılma olgusuna dayalı bir yöntem; Bir ortamdan diğerine geçerken ışığın yayılma yönünün değiştirilmesi.

Kırılma ve ışığın emilmesi, ortamla etkileşiminin bir sonucudur. Refraktometri kelimesi şu anlama gelir: ölçüm kırılma indisinin değeri ile tahmin edilen ışığın kırılması.

Kırılma indeksi değeri N bağlı olmak

1) maddelerin ve sistemlerin bileşimi hakkında,

2) gerçekte hangi konsantrasyonda ve ışık ışınının yolu üzerinde hangi moleküllerle karşılaştığını, çünkü Işığın etkisi altında farklı maddelerin molekülleri farklı şekilde polarize olur. Refraktometrik yöntemin temeli bu bağımlılığa dayanmaktadır.

Bu yöntemin bir takım avantajları vardır ve bunun sonucunda hem kimyasal araştırmalarda hem de teknolojik süreçlerin kontrolünde geniş uygulama alanı bulmuştur.

1) Kırılma indekslerinin ölçülmesi, doğru bir şekilde ve minimum zaman ve madde miktarıyla gerçekleştirilen çok basit bir işlemdir.

2) Tipik olarak refraktometreler, ışığın kırılma indisini ve analitin içeriğini belirlemede %10'a kadar doğruluk sağlar

Refraktometri yöntemi özgünlüğü ve saflığı kontrol etmek, tek tek maddeleri tanımlamak ve çözeltiler incelenirken organik ve inorganik bileşiklerin yapısını belirlemek için kullanılır. Refraktometri, iki bileşenli çözeltilerin ve üçlü sistemlerin bileşimini belirlemek için kullanılır.

Yöntemin fiziksel temeli

KIRILMA ENDEKSİ.

İkisinde ışığın yayılma hızı arasındaki fark ne kadar büyükse, bir ışık ışınının bir ortamdan diğerine geçerken orijinal yönünden sapması da o kadar büyük olur.

bu ortamlar.

Herhangi iki şeffaf ortam I ve II'nin sınırında bir ışık ışınının kırılmasını ele alalım (Bkz. Şekil). Ortam II'nin daha büyük bir kırılma gücüne sahip olduğu konusunda hemfikir olalım ve bu nedenle, n 1 Ve n 2- ilgili ortamın kırılmasını gösterir. Ortam I bir vakum veya hava değilse, ışık ışınının geliş açısının günah kırılma açısına oranı, bağıl kırılma indeksi nrel'in değerini verecektir. Değer n bağıl. aynı zamanda söz konusu ortamın kırılma indislerinin oranı olarak da tanımlanabilir.

n göreceli. = ----- = ---

Kırılma indisinin değeri şunlara bağlıdır:

1) maddelerin doğası

Bu durumda bir maddenin doğası, moleküllerinin ışığın etkisi altında deforme olabilirlik derecesi - polarize edilebilirlik derecesi ile belirlenir. Polarize edilebilirlik ne kadar yoğun olursa ışığın kırılması da o kadar güçlü olur.

2)gelen ışığın dalga boyu

Kırılma indisi ölçümü, 589,3 nm ışık dalga boyunda (sodyum spektrumunun D çizgisi) gerçekleştirilir.

Kırılma indisinin ışığın dalga boyuna bağımlılığına dağılım denir. Dalga boyu ne kadar kısa olursa kırılma o kadar büyük olur. Bu nedenle farklı dalga boylarındaki ışınlar farklı şekilde kırılır.

3)sıcaklık ölçümün yapıldığı yer. Kırılma indeksini belirlemenin ön koşulu sıcaklık rejimine uygunluktur. Genellikle belirleme 20±0,3 0 C'de yapılır.

Sıcaklık arttıkça kırılma indisi azalır; sıcaklık azaldıkça artar..

Sıcaklık etkilerinin düzeltilmesi aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:

n t =n 20 + (20-t) 0,0002, burada

hayır – Güle güle Belirli bir sıcaklıkta kırılma indisi,

n 20 - 20 0 C'de kırılma indisi

Sıcaklığın gazların ve sıvıların kırılma indekslerinin değerleri üzerindeki etkisi, hacimsel genleşme katsayılarının değerleriyle ilişkilidir. Isıtıldığında tüm gazların ve sıvıların hacmi artar, yoğunluk azalır ve dolayısıyla gösterge azalır

20 0 C'de ölçülen kırılma indisi ve 589,3 nm ışık dalga boyu, indeks ile belirtilir. n D 20

Homojen iki bileşenli bir sistemin kırılma indeksinin durumuna bağımlılığı, bileşenlerin içeriği bilinen bir dizi standart sistem (örneğin çözümler) için kırılma indeksinin belirlenmesiyle deneysel olarak belirlenir.

4) maddenin çözelti içindeki konsantrasyonu.

Birçok sulu madde çözeltisi için, farklı konsantrasyonlarda ve sıcaklıklarda kırılma indisleri güvenilir bir şekilde ölçülür ve bu durumlarda referans kitapları kullanılabilir. refraktometrik tablolar. Uygulama, çözünmüş madde içeriğinin% 10-20'yi geçmediği durumlarda grafik yöntemle birlikte birçok durumda kullanmanın mümkün olduğunu göstermektedir. aşağıdaki gibi doğrusal denklem:

n=n veya +FC,

N-çözeltinin kırılma indisi,

HAYIR- saf bir çözücünün kırılma indisi,

C- çözünen konsantrasyonu,%

F-değeri bulunan ampirik katsayı

Bilinen konsantrasyondaki çözeltilerin kırılma indeksini belirleyerek.

REFRAKTOMETRELER.

Refraktometreler kırılma indeksini ölçmek için kullanılan aletlerdir. Bu cihazların 2 tipi vardır: Abbe tipi ve Pulfrich tipi refraktometre. Her iki durumda da ölçümler maksimum kırılma açısının belirlenmesine dayanmaktadır. Uygulamada çeşitli sistemlerin refraktometreleri kullanılır: laboratuvar-RL, evrensel RL, vb.

Damıtılmış suyun kırılma indisi n 0 = 1,33299'dur ancak pratikte bu gösterge n 0 olarak referans olarak alınır. =1,333.

Refraktometrelerin çalışma prensibi, sınırlayıcı açı yöntemi (ışığın toplam yansıma açısı) ile kırılma indisinin belirlenmesine dayanmaktadır.

El tipi refraktometre

Abbe refraktometre

Laboratuvar çalışması

Işığın kırılması. Bir sıvının kırılma indisinin ölçülmesi

refraktometre kullanma

İşin amacı: ışığın kırılması olgusunun anlaşılmasının derinleştirilmesi; sıvı ortamın kırılma indeksini ölçmeye yönelik yöntemlerin incelenmesi; Refraktometre ile çalışma prensibinin incelenmesi.

Teçhizat: Refraktometre, sodyum klorür solüsyonları, pipet, aletlerin optik kısımlarını silmek için yumuşak bez.

Teori

Işığın yansıma ve kırılma kanunları. Kırılma indeksi.

Ortamlar arasındaki arayüzde ışık yayılma yönünü değiştirir. Işık enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri döner, yani. ışık yansıtılır. İkinci ortam şeffafsa, belirli koşullar altında ışığın bir kısmı ortamlar arasındaki arayüzden geçerek genellikle yayılma yönünü değiştirir. Bu olaya ışığın kırılması denir (Şekil 1).

Pirinç. 1. Işığın iki ortam arasındaki düz bir arayüzde yansıması ve kırılması.

Işık, iki şeffaf ortam arasındaki düz bir arayüzden geçtiğinde yansıyan ve kırılan ışınların yönü, ışığın yansıma ve kırılma yasaları tarafından belirlenir.

Işığın yansıması kanunu. Yansıyan ışın, gelen ışınla aynı düzlemde bulunur ve normal, geliş noktasında ortamın ayrılma düzlemine geri döner. Gelme açısı yansıma açısına eşittir .

Işığın kırılma kanunu. Kırılan ışın, gelen ışınla aynı düzlemde bulunur ve normal, geliş noktasında ortamın ayrılma düzlemine geri döner. Geliş açısı sinüs oranı α kırılma açısının sinüsüne β bu iki ortam için, ikinci ortamın birinciye göre göreceli kırılma indisi adı verilen sabit bir değer vardır:

Bağıl kırılma indeksi iki ortam, birinci ortam v1'deki ışığın hızının ikinci ortam v2'deki ışık hızına oranına eşittir:

Işık bir boşluktan bir ortama geliyorsa, ortamın boşluğa göre kırılma indisine bu ortamın mutlak kırılma indisi denir ve ışığın boşluktaki hızının oranına eşittir. İle Belirli bir ortamdaki ışığın hızına:

Mutlak kırılma indisleri her zaman birden büyüktür; hava için N biri olarak alınır.

İki ortamın bağıl kırılma indeksi, mutlak indeksleri cinsinden ifade edilebilir. N 1 Ve N 2 :

Bir sıvının kırılma indisinin belirlenmesi

Sıvıların kırılma indeksini hızlı ve rahat bir şekilde belirlemek için, ana kısmı iki prizma olan özel optik aletler - refraktometreler vardır (Şekil 2): ​​yardımcı Cad. 1 ve ölçüm Pr.2. Test edilecek sıvı prizmalar arasındaki boşluğa dökülür.

Göstergeleri ölçerken iki yöntem kullanılabilir: sıyırıcı ışın yöntemi (şeffaf sıvılar için) ve toplam iç yansıma yöntemi (koyu, bulanık ve renkli çözeltiler için). Bu çalışmada bunlardan ilki kullanılmıştır.

Otlatmalı ışın yönteminde, harici bir kaynaktan gelen ışık yüzeyden geçer. AB prizmalar Proje 1, mat yüzeyinde dağılır klima ve daha sonra test sıvısı tabakasından prizmaya nüfuz eder Pr.2. Mat yüzey her yönden ışın kaynağı haline gelir, böylece kenardan gözlemlenebilir eF prizmalar Pr.2. Ancak kenar klima aracılığıyla görülebilir eF yalnızca belirli bir minimum açıdan daha büyük bir açıda Ben. Bu açının büyüklüğü, refraktometrenin tasarımının arkasındaki ana fikir olan prizmalar arasında bulunan sıvının kırılma indisi ile benzersiz bir şekilde ilişkilidir.

Işığın yüzden geçişini düşünün EF alt ölçüm prizması Pr.2.Şekil 2'den görülebileceği gibi. 2, ışığın kırılma yasasını iki kez uygulayarak iki ilişki elde edebiliriz:

Bu denklem sistemini çözerek sıvının kırılma indisinin olduğu sonucuna varmak kolaydır.

dört büyüklüğe bağlıdır: Q, R, R 1 Ve Ben. Ancak hepsi bağımsız değildir. Örneğin,

R+ S= R , (4)

Nerede R - prizmanın kırılma açısı Proje 2. Ayrıca açıyı ayarlayarak Q maksimum değer 90°'dir, denklem (1)'den şunu elde ederiz:

Ancak maksimum açı değeri R , Şekil 2'den görülebileceği gibi. 2 ve ilişkiler (3) ve (4), minimum açı değerlerine karşılık gelir Ben Ve R 1 , onlar. Ben dk. Ve R dk. .

Bu nedenle, bir sıvının "otlayan" ışınlar durumunda kırılma indisi yalnızca açıyla ilişkilidir. Ben. Bu durumda minimum açı değeri vardır. Ben, kenar ne zaman klima hala gözlemleniyor, yani görüş alanında ayna beyazı görünüyor. Daha küçük görüş açıları için kenar görünmez ve görüş alanında bu yer siyah görünür. Cihazın teleskopu nispeten geniş bir açısal bölgeyi yakaladığından, görüş alanında açık ve siyah alanlar aynı anda gözlemlenir; bu alanlar arasındaki sınır, minimum gözlem açısına karşılık gelir ve benzersiz bir şekilde sıvının kırılma indisine bağlıdır. Son hesaplama formülünü kullanarak:

(sonucu çıkarılmıştır) ve bilinen kırılma indislerine sahip bir dizi sıvı, cihazı kalibre edebilir, yani sıvıların kırılma indisleri ile açılar arasında benzersiz bir yazışma kurabilirsiniz. Ben dk. . Verilen tüm formüller belirli bir dalga boyundaki ışınlar için türetilmiştir.

Farklı dalga boylarındaki ışık, prizmanın dağılımı dikkate alınarak kırılacaktır. Böylece prizma beyaz ışıkla aydınlatıldığında dispersiyon nedeniyle arayüz bulanıklaşacak ve farklı renklerde renklenecektir. Bu nedenle her refraktometrede dispersiyon sonucunu ortadan kaldıran bir kompansatör bulunur. Bir veya iki doğrudan görüş prizmasından (Amici prizmaları) oluşabilir. Her Amici prizması, farklı kırılma indisleri ve farklı dağılımlara sahip üç cam prizmadan oluşur; örneğin, dış prizmalar taç camdan, ortadaki prizma ise çakmaktaşı camdan yapılmıştır (taç camı ve çakmaktaşı cam cam türleridir). Özel bir cihaz kullanılarak kompansatör prizmasının döndürülmesiyle, konumu sarı sodyum çizgisinin kırılma indeksi değerine karşılık gelen arayüzün keskin, renksiz bir görüntüsü elde edilir. λ =5893 Å (prizmalar, dalga boyu 5893 Å olan ışınlar sapmaya maruz kalmayacak şekilde tasarlanmıştır).

Kompansatörden geçen ışınlar teleskop merceğine girer, ardından ters prizmadan geçerek teleskopun göz merceğinden geçerek gözlemcinin gözüne ulaşır. Işınların şematik yolu Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.

Refraktometre ölçeği, kırılma indeksi değerlerinde ve sudaki sakaroz çözeltisinin konsantrasyonunda kalibre edilir ve göz merceğinin odak düzleminde bulunur.

Deneysel bölüm

Görev 1. Refraktometrenin kontrol edilmesi.

Işığı bir ayna kullanarak refraktometrenin yardımcı prizmasına yönlendirin. Yardımcı prizma yükseltilmiş haldeyken ölçüm prizmasına birkaç damla damıtılmış su pipetleyin. Yardımcı prizmayı indirerek görüş alanının en iyi şekilde aydınlatılmasını sağlayın ve göz merceğini, artı işareti ve kırılma indeksi ölçeği açıkça görülebilecek şekilde ayarlayın. Ölçüm prizmasının kamerasını döndürerek görüş alanındaki ışık ve gölge sınırını elde edersiniz. Işık ve gölge arasındaki sınırın rengi ortadan kalkana kadar kompansatör başlığını döndürün. Işık ve gölge sınırını artı işareti noktasıyla hizalayın ve suyun kırılma indeksini ölçün N değiştirmek . Refraktometre düzgün çalışıyorsa, damıtılmış su için değer şu şekilde olmalıdır: N 0 = 1.333, okunan değer bu değerden farklıysa düzeltme yapılması gerekir Δn= N değiştirmek - 1.333, refraktometre ile daha fazla çalışırken bu dikkate alınmalıdır. Lütfen Tablo 1'de düzeltmeler yapın.

Tablo 1.

Görev 2. Bir sıvının kırılma indeksinin belirlenmesi.

Bulunan düzeltmeyi dikkate alarak, bilinen konsantrasyonlardaki çözeltilerin kırılma indislerini belirleyin.

Tablo 2.

Elde edilen sonuçlara göre sofra tuzu çözeltilerinin kırılma indeksinin konsantrasyona bağımlılığının bir grafiğini çizin. N'nin C'ye bağımlılığı hakkında bir sonuç çıkarın; Bir refraktometre kullanarak ölçümlerin doğruluğu hakkında sonuçlar çıkarmak.

Bilinmeyen konsantrasyonda bir tuz çözeltisi alın İLE X , kırılma indisini belirleyin ve çözeltinin konsantrasyonunu bulmak için grafiği kullanın.

Çalışma alanını temizleyin ve refraktometre prizmalarını nemli, temiz bir bezle dikkatlice silin.

Güvenlik soruları

Işığın yansıması ve kırılması.

Ortamın mutlak ve bağıl kırılma indisleri.

Refraktometrenin çalışma prensibi. Kayan kiriş yöntemi.

Bir prizmadaki ışınların şematik yolu. Kompansatör prizmalarına neden ihtiyaç duyulur?

Işığın yayılması, yansıması ve kırılması

Işığın doğası elektromanyetiktir. Bunun bir kanıtı, elektromanyetik dalgaların ve ışığın boşluktaki hızlarının çakışmasıdır.

Homojen bir ortamda ışık düz bir çizgide yayılır. Bu ifadeye ışığın doğrusal yayılımı yasası denir. Bu yasanın deneysel bir kanıtı, noktasal ışık kaynaklarının oluşturduğu keskin gölgelerdir.

Işığın yayılma yönünü gösteren geometrik çizgiye ışık ışını denir. İzotropik bir ortamda ışık ışınları dalga cephesine dik olarak yönlendirilir.

Ortamda aynı fazda salınan noktaların geometrik konumuna dalga yüzeyi, salınımın belirli bir zamanda ulaştığı noktalar kümesine de dalga cephesi adı verilir. Dalga cephesinin türüne bağlı olarak düzlem ve küresel dalgalar ayırt edilir.

Işığın yayılma sürecini açıklamak için, Hollandalı fizikçi H. Huygens tarafından önerilen, dalga cephesinin uzaydaki hareketine ilişkin dalga teorisinin genel prensibi kullanılır. Huygens ilkesine göre ortamdaki ışık uyarımının ulaştığı her nokta, yine ışık hızında yayılan küresel ikincil dalgaların merkezidir. Bu ikincil dalgaların cephelerini çevreleyen yüzey, o anda fiilen yayılan dalganın ön tarafının konumunu verir.

Işık ışınları ile ışık ışınları arasında ayrım yapmak gerekir. Işık demeti, ışık enerjisini belirli bir yönde taşıyan ışık dalgasının bir parçasıdır. Bir ışık ışınını onu tanımlayan bir ışık ışınıyla değiştirirken, ikincisi yeterince dar, ancak aynı zamanda sınırlı bir genişliğe sahip (kesitsel boyutlar dalga boyundan çok daha büyük) bir ışığın ekseniyle çakışacak şekilde alınmalıdır. ışın.

Iraksak, yakınsak ve yarı paralel ışık ışınları vardır. Işık ışınları demeti veya sadece ışık ışınları terimleri sıklıkla kullanılır; bu, gerçek bir ışık ışınını tanımlayan bir dizi ışık ışınını ifade eder.

Işığın boşluktaki hızı c = 3 108 m/s evrensel bir sabittir ve frekansa bağlı değildir. Işık hızı ilk kez Danimarkalı bilim adamı O. Roemer tarafından astronomik yöntemle deneysel olarak belirlendi. Daha doğrusu ışığın hızı A. Michelson tarafından ölçülmüştür.

Maddede ışığın hızı boşluktakinden daha düşüktür. Işığın boşluktaki hızının belirli bir ortamdaki hızına oranına ortamın mutlak kırılma indisi denir:

burada c ışığın boşluktaki hızıdır, v ise belirli bir ortamdaki ışığın hızıdır. Tüm maddelerin mutlak kırılma indisleri birden büyüktür.

Işık bir ortamda yayıldığında emilir ve saçılır ve ortamlar arasındaki arayüzde yansıtılır ve kırılır.

Işık yansıması yasası: gelen ışın, yansıyan ışın ve ışının geliş noktasında restore edilen iki ortam arasındaki arayüze dik olan aynı düzlemde uzanır; yansıma açısı g, geliş açısı a'ya eşittir (Şekil 1). Bu yasa, her türlü dalganın yansıma yasasıyla örtüşür ve Huygens ilkesinin bir sonucu olarak elde edilebilir.

Işığın kırılma yasası: Gelen ışın, kırılan ışın ve ışının geliş noktasında restore edilen iki ortam arasındaki arayüze dik aynı düzlemde bulunur; Belirli bir ışık frekansı için geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, birinciye göre ikinci ortamın bağıl kırılma indisi adı verilen sabit bir değerdir:

Deneysel olarak oluşturulan ışığın kırılma yasası Huygens ilkesine dayanarak açıklanmaktadır. Dalga kavramlarına göre kırılma, bir ortamdan diğerine geçerken dalga yayılma hızındaki değişikliklerin bir sonucudur ve bağıl kırılma indisinin fiziksel anlamı, dalgaların birinci ortamdaki yayılma hızının v1'e oranıdır. ikinci ortamda yayılma hızı

Mutlak kırılma indeksleri n1 ve n2 olan ortamlar için, ikinci ortamın birinciye göre göreceli kırılma indeksi, ikinci ortamın mutlak kırılma indeksinin birinci ortamın mutlak kırılma indeksine oranına eşittir:

Kırılma indisi daha yüksek olan ortama optik olarak daha yoğun denir; içindeki ışığın yayılma hızı daha düşüktür. Işık optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama geçerse, belirli bir a0 geliş açısında kırılma açısı p/2'ye eşit olmalıdır. Bu durumda kırılan ışının yoğunluğu sıfıra eşit olur. İki ortam arasındaki arayüze düşen ışık tamamen buradan yansıtılır.

Işığın toplam iç yansımasının meydana geldiği geliş açısı a0, toplam iç yansımanın sınır açısı olarak adlandırılır. a0'a eşit ve daha büyük tüm geliş açılarında, ışığın toplam yansıması meydana gelir.

Sınırlama açısının değeri şu ilişkiden bulunur: Eğer n2 = 1 (vakum) ise, o zaman

2 Bir maddenin kırılma indisi, ışığın (elektromanyetik dalgalar) vakumdaki ve belirli bir ortamdaki faz hızlarının oranına eşit bir değerdir. Ayrıca ses gibi diğer dalgaların kırılma indisinden de bahsederler.

Kırılma indisi, maddenin özelliklerine ve radyasyonun dalga boyuna bağlıdır; bazı maddeler için, elektromanyetik dalgaların frekansı düşük frekanslardan optik ve ötesine değiştiğinde kırılma indisi oldukça güçlü bir şekilde değişir ve ayrıca daha da keskin bir şekilde değişebilir. frekans ölçeğinin belirli alanları. Varsayılan genellikle optik aralığa veya bağlama göre belirlenen aralığa karşılık gelir.

Kırılma indisinin ışığın yönüne ve polarizasyonuna bağlı olduğu optik olarak anizotropik maddeler vardır. Bu tür maddeler oldukça yaygındır, özellikle hepsi kristal kafesin oldukça düşük simetrisine sahip kristallerin yanı sıra mekanik deformasyona maruz kalan maddelerdir.

Kırılma indisi ortamın manyetik ve dielektrik sabitlerinin çarpımının kökü olarak ifade edilebilir.

(İlgi konusu frekans aralığı için (örneğin optik) manyetik geçirgenlik ve mutlak dielektrik sabiti değerlerinin, bu değerlerin statik değerinden çok farklı olabileceği dikkate alınmalıdır).

Kırılma indeksini ölçmek için manuel ve otomatik refraktometreler kullanılır. Sulu bir çözeltideki şeker konsantrasyonunu belirlemek için bir refraktometre kullanıldığında, cihaza sakarimetre adı verilir.

Işın A ortamından B ortamına geçtiğinde ışının geliş açısının sinüsünün () kırılma açısının sinüsüne () oranına bu ortam çifti için bağıl kırılma indisi denir.

n miktarı, B ortamının A ortamına göre bağıl kırılma indisidir; аn" = 1/n ise A ortamının B ortamına göre bağıl kırılma indisidir.

Bu değer, diğer şeyler eşit olmak üzere, bir ışın daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçtiğinde genellikle birden az olur ve bir ışın daha az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken birden fazla olur (örneğin, gaza veya vakumdan sıvıya veya katıya). Bu kuralın istisnaları vardır ve bu nedenle bir ortamı diğerinden optik olarak daha fazla veya daha az yoğun olarak adlandırmak gelenekseldir (bir ortamın opaklığının bir ölçüsü olan optik yoğunlukla karıştırılmamalıdır).

Havasız uzaydan bir B ortamının yüzeyine düşen bir ışın, başka bir A ortamından üzerine düştüğünden daha güçlü bir şekilde kırılır; Havasız uzaydan bir ortama gelen ışının kırılma indisine, onun mutlak kırılma indisi veya basitçe belirli bir ortamın kırılma indisi denir; bu, tanımı makalenin başında verilen kırılma indisidir. Normal koşullar altında hava da dahil olmak üzere herhangi bir gazın kırılma indeksi, sıvıların veya katıların kırılma indeksinden çok daha azdır, bu nedenle yaklaşık olarak (ve nispeten iyi bir doğrulukla) mutlak kırılma indeksi, havaya göre kırılma indeksi ile değerlendirilebilir.

Pirinç. 3. Girişim refraktometresinin çalışma prensibi. Işık demeti, iki kısmı farklı kırılma indislerine sahip maddelerle dolu l uzunluğundaki küvetlerden geçecek şekilde bölünür. Küvetlerden çıkışta ışınlar belirli bir yol farkı elde eder ve bir araya getirildiklerinde ekranda k dereceli girişim maksimum ve minimumlarının bir resmini verir (sağda şematik olarak gösterilmiştir). Kırılma indisi farkı Dn=n2 –n1 =kl/2, burada l ışığın dalga boyudur.

Refraktometreler, maddelerin kırılma indeksini ölçmek için kullanılan aletlerdir. Refraktometrenin çalışma prensibi toplam yansıma olgusuna dayanmaktadır. Kırılma indisine sahip iki ortam arasındaki arayüze ve optik olarak daha yoğun bir ortamdan dağınık bir ışık demeti düşerse, belirli bir geliş açısından başlayarak, ışınlar ikinci ortama girmez, ancak arayüzden tamamen yansıtılır. ilk ortamda. Bu açıya toplam yansımanın sınır açısı denir. Şekil 1, bu yüzeyin belirli bir akımına düşen ışınların davranışını göstermektedir. Işın aşırı bir açıyla geliyor. Kırılma yasasından şunu belirleyebiliriz: , (çünkü).

Sınırlama açısının büyüklüğü, iki ortamın göreceli kırılma indisine bağlıdır. Yüzeyden yansıyan ışınlar bir toplama merceğine yönlendirilirse, merceğin odak düzleminde ışığın ve yarı gölgenin sınırını görebilirsiniz ve bu sınırın konumu sınırlama açısının değerine ve dolayısıyla kırılma indeksi. Ortamlardan birinin kırılma indisindeki bir değişiklik, arayüzün konumunda bir değişiklik gerektirir. Işık ve gölge arasındaki arayüz, refraktometrelerde kullanılan kırılma indisinin belirlenmesinde bir gösterge görevi görebilir.

Kırılma indisini belirlemenin bu yöntemine toplam yansıma yöntemi denir.

Refraktometreler, toplam yansıma yönteminin yanı sıra, geçişli ışın yöntemini de kullanır.

Bu yöntemde, saçılan bir ışık demeti, optik açıdan daha az yoğun bir ortamdan sınıra mümkün olan tüm açılardan çarpar (Şekil 2). Yüzey () boyunca kayan ışın, sınırlayıcı kırılma açısına (Şekil 2'deki ışın) karşılık gelir. Yüzeyde kırılan ışınların () yoluna bir mercek yerleştirirsek, merceğin odak düzleminde de ışık ve gölge arasında keskin bir sınır görürüz.

Sınır açısının değerini belirleyen koşullar her iki yöntemde de aynı olduğundan arayüzün konumu aynıdır. Her iki yöntem de eşdeğerdir ancak toplam yansıma yöntemi, opak maddelerin kırılma indisini ölçmenize olanak tanır

Üçgen prizmada ışınların yolu = 589,3 mikron.

(sodyum sarı çizgi dalga boyu) sapma kompansatörünü geçtikten sonra test edilmedi. Farklı dalga boylarına sahip ışınlar prizmalarda farklı yönlere saptırılır. Kompansatör prizmalarını özel bir tutamak kullanarak hareket ettirerek ışık ve karanlık arasındaki sınırın mümkün olduğunca net olmasını sağlıyoruz.

Dengeleyiciyi geçen ışık ışınları teleskopun merceğine (6) girer. Işık-gölge arayüzünün görüntüsü teleskopun göz merceği (7) aracılığıyla izlenir. Aynı zamanda 8 numaralı ölçek mercekten izlenir. Sınırlayıcı kırılma açısı ve toplam yansımanın sınırlayıcı açısı sıvının kırılma indeksine bağlı olduğundan, bu kırılma indeksinin değerleri refraktometre ölçeğinde hemen işaretlenir. .