8

Работа № 53 определение показателя преломления жидкостей рефрактометром Краткая теория

Показатель преломления является важной характеристикой вещества, связанной с другими его свойствами. Например, показатель преломления растворов зависит от концентрации сухого вещества в растворе, показатель преломления сыворотки крови зависит от содержания в ней белка.

Для быстрого и удобного определения показателя преломления жидкости существует специальный прибор – рефрактометр. Измерения показателя преломления при помощи рефрактометра сводятся к измерению величины предельного угла полного внутреннего отражения.

Из курса физики известно, что при переходе света из одной среды в другую он преломляется. При этом имеют место следующие закономерности (законы преломления света):

• луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным в точке падения;

• отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред:

, (1.1)

где n_2,1– относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Для всех оптически изотропных сред показатель преломления не зависит от угла падения луча и определяется свойствами двух сред, через границу раздела которых проходит свет. Он является функцией длины волны света n=f().

Относительный показатель преломления равен отношению скоростей распространения света в двух данных средах:

, (1.2)

где: С₁– скорость света в одной среде;

С₂– скорость света в другой среде.

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде

и(1.3)

Так как скорость света в вакууме является наибольшей, то абсолютный показатель преломления для всех сред всегда больше единицы.

С учетом выражений (1.2) и (1.3) закон преломления света (1.1) примет вид:

(1.4)

Относительный показатель преломления показывает отношение скоростей света двух сред и он может быть больше или меньше единицы в зависимости от оптических плотностей сред. Принято называть среду оптически более плотной по сравнению с другой средой, если скорость распространения света в ней меньше, чем во второй среде.

Явление полного внутреннего отражения имеет место при переходе света из среды оптически более плотной, в среду оптически менее плотную.

Рис. 1.1

Как следует из (1.4) в этом случае в оптически более плотной среде всегда существует такой луч КО(рис 1.1), который после преломления скользит вдоль поверхности раздела двух сред, т.е. образует с перпендикуляромСОугол=. Всякий луч, падающий на поверхность разделаАВпод углом>ДОК=_пр, не преломляется, а отражается назад в оптически более плотную среду. Поэтому угол ДОК называют предельным углом падения (предельным углом полного внутреннего отражения) и образуют “_пр”. Выражение (1.4) при этом имеет вид:

(1.5)

Если лучи света будут идти в обратном направлении, т.е. из среды менее плотной в среду оптически более плотную, то согласно принципу обратимости хода лучей, на рис.1.1. изменится только направление хода лучей. В этом случае лучу с углом падения 90⁰будет соответствовать более плотной среде преломленный луч с углом преломления, равным_пред. Рассмотрим пучок лучей, идущих из среды менее плотной, например, из жидкости с показателем преломленияn₁, в более плотную (например, тяжелое стекло с большим показателем преломленияn₂), и падающих на границу раздела этих сред в точке О.

Рис. 1.2

На рис.1.2. видно, что в менее плотной среде падающие лучи полностью заполняют равный угол между границей раздела и перпендикулярной к ней в точке О (АОС). В более плотной среде они заполняют лишь угол между лучом ОК и перпендикуляром к границе раздела, равный_пред(DОК). Поверхность ДКВ, ограничивающая более плотную среду, будет освещена не полностью, а лишь в пределах того угла КОВ на эту поверхность не будет попадать ни один луч, идущий из менее плотной среды через точку О. Следовательно, на рассматриваемой поверхности образуются два поля – светлееDК и темнее КВ. Граница этих полей тем ниже (угол_предтем меньше), чем меньше показатель преломленияn₁менее плотной среды по сравнению с показателем преломления более плотной среды. Таким образом, по положению границы между темным и светлым полями, т.е. по величине преломленного угла_предможно судить о показателе преломленияn₁испытуемой жидкости при неизменном показателе преломленияn₂(стекла).