2. Полное внутреннее отражение

Известно, что при прохождении света через плоскую границу двух прозрачных сред происходит преломление падающей волны. При этом направление распространения преломленной волны определяется законом преломления:

где  - угол падения,  - угол преломления, n₁, n₂ - абсолютные показатели преломления для данной длины волны , n₂₁ – относительный показатель преломления.

Если свет проходит из оптически менее плотной среды (с меньшим показателем преломления) в оптически более плотную среду ( рис.1), то sin   sin . В предельном случае, когда падающая волна скользит по поверхности раздела, т.е. _пр= /2, угол преломления принимает тоже предельное значение  _пр .

Рис.1

Если световая волна проходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (рис.2), когда n₁  n₂ , то    . Из всех волн, падающих из более плотной среды в менее плотную, найдется такая, падающая под углом _пр, для которой угол преломления _пр = /2, т.е. преломленная волна будет скользить по поверхности. Если теперь направлять свет под углом падения, большим _пр, то волна полностью отразится от границы раздела в ту же среду, из которой падала. Это явление получило название полного внутреннего отражения, а угол _пр – предельным углом полного внутреннего отражения.

Рис.2

Предельный угол можно измерить двумя способами. Во первых, можно осветить границу раздела сред почти скользящим пучком лучей со стороны оптически менее плотной среды и рассматривать преломленные волны: наблюдение в проходящем свете. Во вторых, можно направить на границу раздела пучок лучей со стороны среды с большим показателем преломления под углом, близким к предельному, и наблюдать отраженный свет. В обоих случаях наблюдается граница светотени, соответствующая предельному углу. Первый способ (в проходящем свете) дает очень отчетливую картину и контрастную границу, но пригоден только для прозрачных сред. Второй способ (в отраженном свете) может применяться и для мало прозрачных оптически менее плотных сред, но он дает менее резкую границу светотени.

Экспериментальная часть Описание лабораторной установки

Состав лабораторной установки: рефрактометр ИРФ-22, набор исследуемых жидкостей, осветительная лампа, мягкая салфетка.

Рефрактометр (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo – измеряю) – прибор для измерения показателей преломления n веществ (жидких, твердых и газообразных). Существует несколько видов рефрактометров, принцип действия которых основан на следующих методах: методе прямого измерения углов преломления света при прохождении им границы раздела двух сред; методе, основанном на явлении полного внутреннего отражения света; интерференционном методе. В основе принципа действия рефрактометра ИРФ-22 лежит явление полного внутреннего отражения света.

Рефрактометр ИРФ-22 служит для непосредственного измерения показателя преломления жидкости в интервале от 1.3 до 1.7 с точностью до 210^-4, а также для определения средней дисперсии жидкостей с точностью до 1,510^-4. Показатель преломления определяется для длины волны _D (желтая линия в спектре натрия). В видимой части спектра именно этот показатель преломления считается основным.

На рис.3 изображен вид рефрактометра справа (а) и слева (б), а в табл.1 приведены данные о назначении отдельных элементов прибора.

а б

Рис.3

Таблица 1

№ позиции	Элемент	Назначение
1	Корпус	Соединяет детали рефрактометра
2	Измерительная головка	Для размещения осветительной и измерительной призм
3	Зрительная труба с отсчетным устройством	Для наблюдения границы раздела светотени и отсчета показателей преломления
4	Осветительное зеркало	Направляет световой поток на осветительную призму
5	Маховичок -1	Устраняет цветную кайму границы света и тени путем поворота компенсатора дисперсии
6	Лимб с делениями	Для отсчета средней дисперсии жидкости
7	Маховичок -2	Вращает измерительную головку для совмещения границы света и тени с перекрестием окуляра
8	Крышка	Перекрывает световой поток на измерительную шкалу. (В рабочем положении должна быть откинута).

Главной частью рефрактометра является система двух прямоугольных призм: измерительной АВС и осветительной А΄В΄С΄ (рис.4), изготовленных из стекла с большим показателем преломления. Призмы вмонтированы в литые полушария измерительной головки 2 (рис.3а). Верхнее полушарие откидывается на шарнире, а нижнее остается неподвижным.

У измерительной призмы грань АВ – полированная, а у осветительной призмы грань А΄В΄ - матовая. Призмы расположены так, что между гранями АВ и А΄В΄ остается узкое пространство, которое заполняется исследуемой жидкостью в количестве нескольких капель.

Рис.4