2.4 Определение содержания видимых сухих веществ

но показателю преломления

2.4.1 Физика отражения и преломления света

Луч света Е (рисунок 4), падая из безвоздушного пространства на поверхность какого-либо вещества, частично отражается (R) и частично преломляется (G), проходя внутрь вещества. Следовательно, луч G несколько приближается к перпендикуляру LL₁ и не является продолжением луча Е. Угол, образованный лучом Е и перпендикуляром LL₁ на границе двух сред, называется углом падения α₁, угол преломленного луча с продолжением перпендикуляра называется углом преломления α₂. Показателем или коэффициентом преломления (n) называется отношение синуса угла падения луча на поверхность преломляющей среды к синусу угла преломления этого же луча в данной среде:

Показатель преломления является одной из характерных констант вещества. С изменением концентрации раствора изменяется и его показатель преломления; поэтому по показателю преломления раствора можно определить содержание в растворе сухих веществ. Для лучей разной длины показатель преломления различен. Поэтому определение показателя преломления проводят в монохроматическом свете желтого луча D. Показатель преломления изменяется в зависимости от температуры. Если луч света проходит из одной среды в другую, а не из безвоздушного пространства, то синусы углов падения и преломления относятся обратно пропорционально коэффициентам преломления этих сред:

Рисунок 4 – Преломление и Рисунок 5 – Полное внутреннее

отражение света отражение

Если луч света переходит из безвоздушного пространства или из воздуха в более преломляющую среду, то yгол падения всегда больше угла преломления. Если луч света переходит из среды более преломляющей в среду менее преломляющую (рисунок 5), то угол падения оказывается меньше угла преломления; следовательно, в этом случае луч преломления не приблизится, а, наоборот, удалится от перпендикуляра к преломляющей поверхности.

Рассмотрим случай отклонения луча, идущего из более преломляющей среды, от перпендикуляра. Из рисунка 5 видно, что положению 1 падающего луча отвечает преломленный луч 1', положению 2 — преломленный луч 2' и т.д. При значительном отклонении падающего луча (положение 6) преломленный луч 6' должен составить с перпендикуляром угол в 90°, т.е. пойти вдоль поверхности US; луч уже не может перейти во вторую среду и претерпевает так называемое полное внутреннее отражение, а отраженный луч U' получается очень ярким.

Если лучи света направить в обратную сторону (из менее преломляющей среды более преломляющую), то луч 6', идущий вдоль поверхности SO, после преломления пойдет по направлению OU. Правее линии OU будет темнота, левее – свет. Угол падения, при котором луч света уже не может перейти из среды более преломляющей в среду менее преломляющую, называется предельным, или углом полного внутреннего отражения. Этому углу α₂ соответствует угол падения α₁ равный 90º, тогда и

Зная показатель преломления одной из сред и измерив угол полного отражения, можно найти показатель преломления другой среды. Приборы, которые служат для определения коэффициента преломления, называются рефрактометрами. В рефрактометрах многих конструкций показатель преломления определяют по углу полного внутреннего отражения. Сейчас обычно применяют рефрактометры с матовой верхней призмой. В этом случае преломления на границе раздела между верхней призмой и жидкостью не происходит, а каждая точка матовой поверхности представляет собой световую точку. Поэтому материал призмы не играет роли, а сама призма выполняет вспомогательную функцию и называется осветительной.

Применение монохроматического света в призмах рефрактометра затруднительно. Поэтому современные рефрактометры приспособлены для использования ахроматического белого света. При применении белого света граница светотени в зрительной трубе получается размытой и имеет радужноокрашенную кайму вследствие того, что предельные лучи различных длин волн преломляются по-разному (явление дисперсии света).

Для устранения этого явления служит компенсатор дисперсии, основной частью которого является призма Амичи (рисунок 6). Эта призма склеена из трех призм: две из слабо преломляющего свет твердого стекла – кронгласа (2) и одна из сильно преломляющего мягкого стекла – флинтгласа (1). Призмы подобраны таким образом, чтобы желтые лучи линий D спектра проходили через призмы, не изменяя своего направления.

Рисунок 6 – Призма Амичи

Принцип действия компенсатора состоит в следующем. Белый свет, проходя призму рефрактометра (ее называют измерительной призмой), разлагается на составляющие лучи (F, D, С). Если на пути выходящего из измерительной призмы пучка цветных лучей установить призму Амичи, то этот пучок лучей соберется в белый луч, направление которого совпадает с направлением желтого луча D. В этом случае линия предельного луча представится в зрительной трубе рефрактометра в виде резкой границы между светом и тенью, причем положение границы будет соответствовать предельному лучу D, хотя для освещения и применяется зеленый свет. В контроле бродильных производств применяют рефрактометры: лабораторный прецизионный и погружной.