Показатель преломления — таблицы электронного справочника по химии, содержащие Показатель преломления

Лабораторная работа № 62

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
 РАСТВОРА САХАРА ОТ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ

Цель работы: Изучение рефрактометра и измерение с его помощью показателя преломления ряда жидкостей относительно воздуха; нахождение зависимости показателя преломления раствора сахара от его концентрации.

Приборы и принадлежности: рефрактометр, набор исследуемых жидкостей с различными показателями преломления и растворов сахара с разными концентрациями.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Еще до установления природы света были известны следующие основные законы оптических явлений:

1. Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно (по прямым линиям).

Закон этот встречается в сочинении по оптике, приписываемом Евклиду (300 лет до нашей эры), но, вероятно, был известен и применялся гораздо раньше.

Опытным доказательством этого закона служат наблюдения над резкими тенями, даваемыми точечными источниками света, или получение изображений при помощи малых отверстий. Отступления от закона прямолинейного распространения света рассматриваются в учении о дифракции.

Этот закон необходимо дополнить утверждением, определяющим совместное действие световых пучков при их наложении друг на друга.

Оно состоит в том, что освещенность экрана, создаваемая несколькими световыми пучками, равна сумме освещенностей, создаваемых каждым пучком в отдельности. Нарушения справедливости этого утверждения имеют место в явлениях интерференции света.

3. Закон отражения света: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения, причем угол отражения  равен углу падения  (рис. 1). Этот закон был известен еще грекам.

4. Закон преломления, который мы рассмотрим более подробно. Этот закон был установлен экспериментально в 1621 году голландским ученым Снеллиусом (1580–1626) и опубликован после его смерти.

Согласно закону преломления Снеллиуса, падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения, причем отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления  есть величина постоянная для данных сред:

 ,                                                   (1)

где n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Индексы в обозначениях углов , , , указывают, в какой среде (первой или второй) идет луч.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

  .                                                          (2)

Абсолютным показателем преломления среды называется величина n, равная отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости  в среде:

 .                                                            (3)

Показатель преломления принадлежит к числу немногих констант, которые можно измерить с очень высокой точностью и малой затратой времени, располагая лишь небольшим количеством вещества. Для этого используются приборы – рефрактометры.

Один из первых рефрактометров был создан в середине
XVIII века. Ломоносов назвал его «квадрантом, придуманным
для определения преломлений в химических телах». Термин «рефракция» был введен в науку Ньютоном в его книге «Оптика» в начале XVIII века.

В биологических, химических и физических лабораториях рефрактометры применяются для исследования эфирных масел, стекол, жиров, крови, жидкого топлива, смазочных масел, различных растворов и т.д.

Простота и доступность измерений в сочетании с высокой точностью позволяет рефрактометрическим методам сохранить свое значение в будущем.

С помощью рефрактометрических измерений обычно определяют относительный показатель преломления вещества, т.е. этот показатель относительно воздуха лабораторного помещения. Если требуется знать абсолютный показатель преломления вещества, то его находят по формуле

 ,                                                   (4)

где nвозд – абсолютный показатель преломления воздуха (nвозд = 1,00029 при Т = 273 К, Р = 1,01·105 Па для длины волны λ = 589,3 нм); n – показатель преломления вещества, полученный при рефрактометрическом измерении при таких же температуре Т, давлении Р и длине волны λ.

Для рефрактометрического анализа разбавленных растворов, концентрации которых лежат в пределах от 0 до 30 %, большое значение имеет уравнение

,                                                      (5)

где n– показатель преломления раствора; n0– показатель преломления чистого растворителя; С – концентрация раствора; k – эмпирический коэффициент, называемый инкрементом показателя преломления.

Определив с помощью рефрактометра n, n0  и зная С, можно найти аналитическую зависимость показателя преломления раствора от его концентрации.

В большинстве рефрактометров показатели преломления определяются методом предельного угла. В основе этого метода лежит явление полного внутреннего отражения.

Полное внутреннее отражение имеет место при переходе светового луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, например, из воды в воздух. Среда с показателем преломления n2 называется оптически более плотной, чем с показателем преломления n1, если n2 >n1.

Пусть луч света выходит из воды в воздух (рис. 2, а).

По мере приближения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет
(рис. 2, а–в).

Если i1 = iпр, то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 2, г), т.е.

луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным отражением.

По закону преломления

,                                            (6)

где n1 – показатель преломления воды; n2 – показатель преломления воздуха.

Зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно с помощью формулы (6) определить показатель преломления второй среды.

Пусть теперь свет падает на границу раздела со стороны оптически менее плотной среды. В зависимости от угла падения луч во второй среде может составлять с нормалью углы, расположенные в интервале от нуля до iпр; предельный угол преломления iпр соответствует углу падения, равному 90° (скользящий луч).

По закону преломления

.                                            (7)

Из формулы (7) следует, что

,

т.е. величина предельного угла и в этом случае определяется формулой (6).

При измерении показателя преломления с помощью рефрактометра УРЛ-1 можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча.

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

В данной работе используется рефрактометр УРЛ-1, внешний вид которого представлен на рис. 3.

Основными частями рефрактометра являются: основание 1, корпус 2, измерительная головка с камерами 3 и 6, осветитель 4, термометр 5, лимб компенсации дисперсии 7, пробка 8, шкала 9, рукоятка 11, механизм настроечный 12, зрительная труба 10 с отсчетным устройством (см. рис. 3). В нижней камере 3 измерительной головки расположена измерительная призма, а в верхней камере 6 – осветительная (рис. 4).

Призмы изготовлены из тяжелого стекла (флинта), показатель преломления которого больше 1,7. Исследуемый раствор помещают между плоскостями АВ и А′В′ этих призм.

Пучок света от осветителя, пройдя через грань А′С′ осветительной призмы А′В′С′, падает на ее грань А′В′.

Так как эта грань (А′В′) матовая, то она рассеивает свет в жидкости по всем направлениям, и часть лучей падает на грань АВ измерительной призмы АВС под различными углами.

Наибольший возможный угол падения лучей 1, 2, 3 на грань АВ равен 90°, следовательно, луча с еще большим углом падения быть не может. Этот скользящий по границе АВ луч 3 (см. рис.

Сводная таблица: Коэффициенты преломления оптических стекол, жидкостей, воды, газов, кристаллов и кварца

В справочной таблице даны значения коэффициента преломления некоторых кристаллов при 18° С для лучей видимой части спектра, длины волн которых отвечают определенным спектральным линиям. Элементы, которым принадлежат эти линии, указываются; указаны также приближенные значения длин волн λ этих линий в единицах Ангстрема

Таблица 2. Коэффициенты преломления оптических стекол

В таблице даны значения коэффициентов преломления линий С, D и F, длины волн которых приближенно равны: 0,6563 μ (мкм), 0,5893 μ и 0,4861 μ.

Таблица 3. Коэффициенты преломления кварца в видимой части спектра

В справочной таблице даны значения коэффициентов преломления лучей обыкновенного (n0) и необыкновенного (ne) для интервала спектра приближенно от 0,4 до 0,70 μ.

Таблица 4. Коэффициенты преломления жидкостей

В таблице даны значения коэффициентов преломления n жидкостей для луча с длиной волны, приближенно равной 0,5893 μ (желтая линия натрия); температура жидкости, при которой производились измерения n, указывается.

Таблица 5.  Коэффициенты преломления водных растворов сахара

В таблице ниже даны значения коэффициентов преломления n водных растворов сахара (при 20° С) в зависимости от концентрации с раствора (с показывает весовой процент сахара в растворе).

Таблица 6. Коэффициенты преломления воды

В таблице даны значения коэффициентов преломления n воды при температуре 20° С в интервале длин волн приближенно от 0,3 до 1 μ.

Таблица 7. Коэффициенты преломления газов таблица

В таблице даны значения коэффициентов преломления n газов при нормальных условиях для линии D, длина волны которой приближенно равна 0,5893 μ.

Источник информации: КРАТКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК/ Том 1, — М.: 1960.