Всі лабораторні роботи / REF_W

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ref_w. doc

Определение концентрации растворов рефрактометрическим методом

Цель работы. Изучить физические основы концентрационной рефрактометрии, приобрести навык работы с рефрактометром Аббе, научиться определять концентрации растворов сахаров, провести градуировку шкалы рефрактометра для раствора глицерина.

Вопросы для подготовки к лабораторной работе

1. Законы отражения и преломления света. Показатель преломления света - абсолютный и относительный.

2. Дисперсия показателя преломления (дисперсия света).

3. Полное внутренне отражение. Предельный угол для полного внутреннего отражения.

4. Рефрактометрия. Устройство и принцип работы рефрактометра. Применение рефрактометрии для аналитических целей.

5. Волоконная оптика и ее применение в медицинской практике.

Литература

1. Н.М. Ливнецев. Курс физики, 1974, стр. 381-389.

2. Н.М. Ливнецев. Курс физики, 1978, ч.1, стр. 228-236.

3. А.Н. Ремизов. Курс физики, 1976, ч.2, стр. 186-189.

4. А.Н. Ремизов. Курс физики, электроники, кибернетики для медицинских институтов, 1982, стр. 346-351.

5. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, 1987, стр. 474-477.

Краткие теоретические сведения

Одной из физических величин, характеризующих взаимодействие света с веществом, является показатель преломления вещества n. Как известно, абсолютный показатель преломления вещества n_абс есть отношение скоростей света в вакууме с и данном веществе v

n_абс = с/v .

Относительный показатель преломления сред показывает во сколько раз отличаются скорости распространения света в этих средах

n₂₁ = n₂/n₁ = v₁/v₂ .

Величина показателя преломления n зависит как от свойств вещества (его природы, строения, состава и т.п.), так и характеристик излучения (частоты или длины волны света в вакууме). Зависимость n от длины волны (или частоты) используется для изучения спектрального состава излучения, а также оптических свойств вещества. В концентрационной рефрактометрии используется зависимость показателя преломления от концентрации вещества n = f(C). Измерив показатель преломления раствора вещества неизвестной концентрации, можно по графику зависимости n = f(C) определить величину искомой концентрации С. Рефрактометр предназначен для определения показателя преломления n жидкости. В медицине рефрактометр применяется для определения концентрации веществ в растворе (например, содержания белка в сыворотке крови, сахара в плазме крови и др.).

В основу конструкции прибора положен метод определения показателя преломления исследуемого раствора по предельному углу преломления или углу полного внутреннего отражения.

Оптическая схема приведена на рис. 1. Исследуемый раствор помещается между гранями двух призм: осветительной (0) и измерительной (И). На осветительную призму от источника света через конденсор и светофильтр (с/ф) направляют параллельный пучок лучей. Грань аb осветительной призмы матовая, каждая точка которой рассеивает световые лучи по всем направлениям (см. рис. 1-А). Рассеянные лучи света, пройдя через слой исследуемой жидкости, попадают на грань измерительной призмы cd под углами от 0°до 90° (cм. рис. 1-Б). Особый интерес представляют лучи, которые скользят вдоль грани cd и для которых угол падения b » 90°. Для этих лучей наблюдается явление полного внутреннего отражения. Преломленный луч выходит под максимально возможным (предельным) углом a_п. (На рисунке этот луч выделен жирными линиями) . Все другие преломленные лучи имеют меньший угол преломления (рис.1-Б).

Рис. 1 Ход лучей света в рефрактометре

А) - грань ab осветительной призмы О, Б) грань cd измерительной призмы И,

с\ф - светофильтр, Л - линза окуляра, n - шкала показателя преломления,

C% - шкала концентраций сахара

Запишем закон преломления лучей для случая полного внутреннего отражения

.

Учитывая значение угла b »90°, можно определить значение показателя преломления жидкости

n_x = n_ст×sina_п .

Так как показатель преломления измерительной призмы n_ст остается неизменным, то a_п будет определяться только показателем преломления исследуемой жидкости. В угле, который дополняет a_п до 90° , световых лучей не будет (см.рис.1-Б ). Световые лучи, идущие под предельным углом, выйдя из призмы (И), попадают на линзу (Л), собирающую все эти лучи в одной точке на экране, где будет наблюдаться резкая граница раздела света и тени - граница светотени. Все другие лучи, преломляющиеся под углом меньше предельного, собираются линзой ниже границы светотени в светлой зоне. Положение границы светотени определяется величиной предельного угла преломления, т.е. зависит от показателя преломления исследуемой жидкости.

На экране нанесена шкала, которая проградуирована в делениях показателя преломления n. Кроме того, в рефрактометрах целевого назначения наносится шкала концентраций растворов какого-либо вещества С% (например, сахара).

Таким образом, в поле зрения наблюдателя оказываются две шкалы (n и С%), граница света и тени и еще визирная линия в виде трех штрихов, при совмещении которых с границей светотени определяется предельный угол и соответствующие ему значения показателя преломления и концентрации.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Ознакомиться с устройством прибора и подготовить его к работе. Схематично конструкция прибора представлена на рис. 2.

Рис. 2 Устройство рефрактометра РПЛ-3

1- осветитель и светофильтр, 2 - осветительная призма, 3 - измерительная

призма, 4 - рукоятка компенсатора, 5 - окуляр, 6 - рычаг окуляра

К корпусу рефрактометра крепятся камеры: нижняя с измерительной призмой (3) и верхняя с осветительной (2). На нижней камере подвижно укреплен осветитель (1), свет от которого можно направлять в окно камеры. На передней крышке корпуса прибора размещена рукоятка (6) с окуляром (5).

Проверьте правильность установки нуля прибора. Для этого необходимо откинуть обойму с осветительной призмой и нанести пипеткой 2-3 капли дистиллированной воды на поверхность измерительной призмы и опустить обойму на место. Затем включить в сеть вилку прибора и направить свет от осветителя (1) в окошко в обойме осветительной призмы. Далее, вращая оправу окуляра (5), добиться резкого изображения шкалы прибора и, поворачивая рукоятку с окуляром (6), найти границу раздела света и тени. Если эта граница имеет цветную окантовку, то, поворачивая рукоятку (4), устраните окраску границы. Добившись максимальной резкости границы раздела света и тени, поворотом рукоятки (6) с окуляром совместить визирную линию (три штриха, см. рис. 1) окуляра с границей раздела и отсчитать n по шкале показателя преломления. Показатель преломления дистиллированной воды 1.333, концентрация 0.

Задание 2. Получить зависимость показателя преломления исследуемого вещества от его концентрации. Для этого измерите показатели преломления растворов известной концентрации. (Процедура измерения аналогична описанной в задании 1. Следует помнить, что перед каждым измерением необходимо мягкой тканью тщательно удалить имеющийся раствор с поверхностей призм).

Измерите показатель преломления раствора неизвестной концентрации Х. Результаты занести в таблицу.

По данным таблицы построить график зависимости n = f (С).

По графику определить C_х - неизвестную концентрацию исследуемого раствора. ( Рекомендуется за начало отсчета по оси концентраций графика взять О%, а по оси показателя преломления значение n равное 1.330).

Концентрация глицерина С%	0	10	20	30	40	Х
показатель преломления

Задание 3. Определить показатель преломления и концентрацию раствора сахара С_сах и n_сах . Эти величины определяются непосредственно по шкалам прибора, т.к. рефрактометр РПЛ-3 предназначен именно для определения концентраций сахаров.

Оформление работы. Протокол должен содержать краткие теоретические сведения (оптическая схема прибора и принцип измерения концентрации раствора рефрактометрическим методом), таблицу с результатами измерения показателя преломления растворов глицерина и график зависимости показателя преломления раствора глицерина от его концентрации, данные об определении концентрации раствора глицерина и измерении процентной концентрации сахара.

Контрольные вопросы и задачи

1. Какое физическое явление положено в основу концентрационной рефрактометрии?

2. Что такое абсолютный и относительный показатели преломления? Каков их физический смысл?

3. Как формируется граница света и тени в данном рефрактометре?

4. Найти предельный угол на границе раздела стекла (n_c = 1.5) и воды (n = 1.333); алмаза (n_a = 2.4) и воды .

5. Каков характер зависимости показателя преломления раствора от его концентрации в данном эксперименте?

6. С какой целью в рефрактометре осветитель снабжается филь-тром?

7. Определить показатель преломления 20% раствора вещества в воде, если показатель преломления 30% раствора равен 1.547. По-казатель преломления воды 1.333. (Считать зависимость n = f(C) линейной).

8. Продолжить ход луча в следующих преломляющих средах (соотношение показателей преломления указано на рисунке). На каких границах раздела сред может возникнуть явление полного внутреннего отражения, если менять угол падения луча света ?