3.Рефрактометрия. Подробно объяснить ход опыта по определения показателя преломления прозрачной жидкости рефрактометром. Рефрактометрия

Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ. Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов - относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Например, показатель преломления при 20°С для D-линии спектра натрия (l = 589 нм) - n_D²⁰. Часто используют также линии спектра водорода С (l = 656 нм) и F (l = 486 нм). В случае газов необходимо также учитывать зависимость n от давления (указывать его или приводить данные к нормальному давлению).

В идеальных системах (образующихся без изменения объема и поляризуемости компонентов) зависимость показателя преломления от состава близка к линейной, если состав выражен в объемных долях (процентах)

n=n₁V₁+n₂V₂ ,

где  n, n₁ ,n₂ - показатели преломления смеси и компонентов,        V₁ и V₂ - объемные доли компонентов (V₁ + V₂ = 1).

Для рефрактометрии растворов в широких диапазонах концентраций пользуются таблицами или эмпирическими формулами, важнейшие из которых (для растворов сахарозы, этанола и др.) утверждаются международными соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции.

Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.     Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.     Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от –0,0004 до –0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (–0,0001), глицерин (–0,0002), гликоль (–0,00026).     Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 – 20°С). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида: n^t=n⁰+at+bt²+…     Давление влияет на показатель преломления жидкостей значительно меньше, чем температура. При изменении давления на 1 атм. изменение n составляет для воды 1,48 ?10^-5, для спирта 3,95 ?10^-5, для бензола 4,8 ?10^-5. То есть изменение температуры на 1°С влияет на показатель преломления жидкости примерно также, как изменение давления на 10 атм.

Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять n_D в "белом" свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 ^-10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения n газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также для точного (до 10 ^-7) определения разностей n растворов. Для этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении лучей системой двух-трех полых призм.     Автоматические рефрактометры для непрерывной регистрации n в потоках жидкостей используют на производствах при контроле технологических процессов и автоматическом управлении ими, а также в лабораториях для контроля ректификации и как универсальные детекторы жидкостных хроматографов.

Определение показателя преломления жидкостей и неизвестной

концентрации раствора при помощи рефрактометра

Цель работы: освоить метод определения показателя преломления

прозрачных жидкостей с помощью рефрактометра.

Задачи исследования: изучить принцип действия рефрактометра и

определить зависимость показателя преломления водного раствора

глицерина от концентрации. Определить неизвестную концентрацию

раствора.

Рефрактометром называют прибор, служащий для определения

показателя преломления световых лучей в прозрачных жидкостях.

Принцип действия прибора основан на явлении полного внутреннего

отражения, возникающем на границе раздела двух сред, при переходе луча из

оптически более плотной в оптически менее плотную среду.

Главной частью рефрактометра является система двух прямоугольных

призм – осветительной (А1B1C1) и измерительной (АВС), сделанных из

стекла с большим показателем преломления (рис. 1).

У осветительной призмы грань А1B1 матовая, а грань АВ измерительной

призмы полированная. Призмы расположены так, что между гранями

остается узкое плоско-параллельное пространство, которое заполняется

исследуемой жидкостью. При работе в проходящем свете лучи от источника света проходят через

грань В1C1 осветительной призмы и падают на матовую поверхность грани

А1B1. Вследствие рассеяния света матовой поверхностью в исследуемую

жидкость входят лучи под всевозможными углами (см. точки а и b).

Благодаря этому, углы падения лучей, падающих на границу АВ жидкость-

стекло, будут иметь значения от 0° до 90°.

Для луча, скользящего по границе раздела, угол падения i0 = 90° и

согласно закону преломления:

1 2 0

= n n r sin ,

где n1 – показатель преломления жидкости, а n2 – показатель преломления

призмы (n1 < n2), r0 – предельный угол полного внутреннего отражения.

Рис.1. Если на пути лучей, выходящих из измерительной призмы, поставить

зрительную трубу, то нижняя половина её поля зрения будет освещена, а

верхняя остается темной. При этом положение границы светотени

определяется лучом, соответствующим предельному углу.

При работе в отраженном свете лучи света направлены на матовую грань

ВС измерительной призмы. Лучи на ней рассеиваются, попадают на грань

АВ под всевозможными углами и преломляются на границе стекло-жидкость.

Те лучи, которые падают на поверхность АВ под углом меньшим

предельного, пройдут в жидкость и далее в призму A1B1C1. Лучи, которые

упадут на границу под углом, большим предельного, претерпят в призме

ABC полное внутреннее отражение и выйдут через границу АС. В поле

зрения зрительной трубы будут наблюдаться две области: верхняя – ярко

освещенная и нижняя – темная.

При наблюдении в белом свете граница света и тени из-за дисперсии

будет размыта и окрашена. Для устранения окраски и получения резкого

изображения границы служит компенсатор, состоящий из двух призм

прямого зрения, которые могут вращаться во взаимно перпендикулярных

направлениях.

Призма прямого зрения (призма Амичи) склеена из трех трехгранных

призм (рис. 2), изготовленных из стекол разного сорта. Две крайних призмы

изготовлены из крона с показателем преломления nк, а средняя - из флинта

(nф, nф> nк). Такая призма, не меняя направления желтых лучей, отклоняет

синие и фиолетовые лучи в сторону основания средней призмы, а оранжевые

и красные – в сторону ее вершины.

Если на пути выходящего из измерительной призмы пучка цветных

лучей установить призму Амичи так, чтобы ее дисперсия оказалась равной

по величине и противоположной по знаку дисперсии измерительной призмы,

то суммарная дисперсия будет равна нулю, а пучок цветных лучей соберется

в белый луч. Практически удобнее использовать две призмы прямого зрения,

общую дисперсию которых легко регулировать, вращая их относительно

друг друга.

Смоделировать работу компенсатора можно следующим образом.

Возьмите у лаборанта две призмы Амичи. Установите их вдоль одной

оптической оси и посмотрите на хорошо освещенный предмет. Вы увидите,

что он имеет размытые, окрашенные границы. Вращайте призмы вдоль

оптической оси и добейтесь исчезновения радужной окраски.

белый

свет

ф

к

крон крон

флинт

ж

Рис. 2. Ход лучей в призме

Амичи. Данная лабораторная работа может быть выполнена с использованием

рефрактометров двух марок: РДУ и ИРФ-454Б. Ниже приводится их

описания и порядок выполнения работы. Выберете нужный вариант.

Описание рефрактометра РДУ и порядка выполнения измерений.

На основании 1 (рис. 3) установлена стойка 2, к которой крепится корпус

3. На корпусе укреплена зрительная труба 4 и микроскоп 5. Микроскоп

позволяет рассмотреть шкалу показателей преломления изучаемого

вещества. Перед зрительной трубой внутри корпуса установлен

дисперсионный компенсатор 6, который поворачивается вращением ручки 7.

На одной оси с корпусом находится камера измерительной призмы 8,

связанная шарниром с камерой осветительной призмы 9. Для удобства

нанесения раствора на измерительную призму, корпус совместно с камерами

можно повернуть вращением ручки 10. Для направления светового потока на

входную грань осветительной призмы служит зеркало 11.

4.Микроскопия (МКС) (лат. μΙκροσ — мелкий, маленький и σκοποσ — вижу) — изучение объектов с использованием микроскопа. Подразделяется на несколько видов: оптическая микроскопия, электронная микроскопия, многофотонная микроскопия, рентгеновская микроскопия или рентгеновская лазерная микроскопия, отличающиеся использованием электромагнитных лучей с возможностью рассмотрения и получения изображений микроэлементов вещества в зависимости от разрешающей способности приборов (микроскопов). Оптическая микроскопия

Оптический микроскоп

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешения составляет 0,176 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены оптические микроскопы различных типов.

Немецкие ученые Штефан Хелль (англ. Stefan Hell) и Мариано Босси (англ. Mariano Bossi) из Института биофизической химии в 2006 году разработали наноскоп, позволяющий наблюдать объекты размером около 15 нм.

Для получения больших увеличений применяется микроскоп. Оптическая система микроскопа состоит из двух частей более или менее сложной конструкции: объектива (обращенного к объекту) и окуляра (обращенного к глазу). Ход лучей в микроскопе показан на рис. 251, причем объектив и окуляр заменены на рисунке простыми линзами. Как и лупа, микроскоп дает возможность рассматривать изображение предмета под большим углом, чем это возможно

Рис. 251. Ход лучей в микроскопе для невооруженного глаза. Небольшой предмет S1S2 помещается перед объективом 1 микроскопа на расстоянии, немного большем фокусного расстояния объектива; его действительное изображение S'1S'2 находится вблизи переднего фокуса F2 окуляра 2 — между окуляром и его передним фокусом. Это изображение рассматривается глазом через окуляр, как через лупу; на сетчатке глаза образуется изображение S'''1S'''2, которое воспринимается глазом как исходящее от мнимого увеличенного изображения S"1S"2. D — расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра — называется оптической длиной тубуса микроскопа; от нее зависит увеличение микроскопа. S'1S'2 находится в передней фокальной плоскости окуляра, т. е. изображение S"1S"2 лежит в бесконечности; при этом глаз находится в ненапряженном состоянии. Увеличением микроскопа, как и в случае лупы, называется отношение длины изображения какого-либо отрезка, получаемого на сетчатой оболочке глаза при помощи микроскопа, к длине изображения того же отрезка на сетчатке при рассматривании его невооруженным глазом. Действие микроскопа эквивалентно действию лупы с фокусным расстоянием f, равным фокусному расстоянию всего микроскопа. Пользуясь формулой (114.1), для увеличения микроскопа находим Фокусное расстояние микроскопа как системы из двух линз может быть сделано значительно меньше, чем фокусное расстояние объектива или окуляра в отдельности. В соответствии с этим увеличение микроскопа значительно больше увеличения, даваемого объективом или окуляром. Как показывает расчет, увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива и увеличения окуляра. Поэтому нередко применяют микроскопы с увеличением около 1000 и даже больше. Основные части  оптической  системы микроскопа — объектив 1 и окуляр 2 — размещаются на концах цилиндрической трубки, укрепленной в штативе (рис. 252). Объект 3 помещается на предметном столике 4 и освещается снизу с помощью зеркала 5 и конденсора 6. Оправы объектива и окуляра устанавливаются в металлической трубке — тубусе 7. Наводка на резкое изображение осуществляется с помощью винта кремальеры 8 (грубая наводка) или микрометрического винта 9 (точная наводка). Окуляры и объективы микроскопа делаются сменными, благодаря чему можно быстро менять увеличение системы. Быстрая смена объективов с разным увеличением производится с помощью револьвера 10. Тубус и столик укреплены на массивном штативе 11.

Рис. 252. Микроскоп Наличие действительного промежуточного изображения, даваемого объективом, расширяет область применения микроскопа. Оно делает возможным точные измерения размеров предмета, для чего в фокальную плоскость окуляра помещают шкалу, нанесенную на прозрачную пластинку. Можно получить проекцию этого изображения на экран, сфотографировать его и т. д. (см. упражнение 53 в конце этой главы).

6. Разрешающая способность оптических приборов, характеризует способность этих приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются, называется линейным или угловым пределом разрешения. Обратная ему величина обычно служит количественной мерой Р. с.

Разрешающая способность микроскопа: z = A/0.5 λ=n*sin(u/2)/ 0.5 λ

A-числовая апертура, A= n*sin(u/2); u/2- апертурный угол объектива,u- угол раскрытия объектива; λ – длина волны света

Предел разрешения микроскопа: D=1/z

Разрешающая способность глаза это минимальный диаметр пятна: которое рассматривается с расстояния наилучшего зрения (25-30 см) и. который человеческий глаз может отличить от остальных предметов.

Под полезным понимают такое увеличение наблюдаемого объекта, при котором можно выявить новые детали его строения, олезное увеличение обычно равно числовой апертуре объектива, увеличенной в 500-1000 раз.

7.Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока. Существует несколько способов получения поляризованного света.

1)Поляризация при помощи поляроидов. Поляроиды представляют собой целлулоидные пленки с нанесенным на них тончайшим слоем кристалликов сернокислого нодхинина. Применение полярой^ дов является в настоящее время наиболее распространенным способом поляризации света.

2)Поляризация     посредством отражения. Если естественный луч света падает на черную   полированную   поверх ность,  то  отраженный   луч    оказывается частично поляризованным. В качестве поляризатора и анализатора может быть употреблено зеркальное или достаточно хорошо отполированное  обычное   оконное   стекло, зачерненное с одной стороны асфальтовым лаком.

Степень поляризации тем больше, чем правильнее выдержан угол падения. Для стекла угол падения равен 57°.

3)Поляризация     посредством п р е л о м л е н и я. Световой луч   поляризуется не только при отражении, но и при преломлении. В этом случае в качестве поляризатора и анализатора используется стопка сложенных вместе 10—15 тонких стеклянных пластинок, расположенных к падающим на них световым лучам под углом в 57°.

Оптическая активность, способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света).

угол j поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя активного вещества (или его раствора) и концентрации с этого вещества — j = [a] lc (коэффициент [a] называется удельной О. а.); 2) поворот в данной среде происходит либо по часовой стрелке (j > 0), либо против неё (j < 0), если смотреть навстречу ходу лучей света

8.Рассеяние света, изменение характеристик потока оптического излучения (света) при его взаимодействии с веществом. Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света. Часто Р. с. называется только обусловленное пространственной неоднородностью среды изменение направления распространения света, воспринимаемое как несобственное свечение среды.

РАССЕЯНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ , величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения, образующего параллельный световой пучок, ослабляется в результате рассеяния в среде в 10 раз или в е раз.

Рэлея закон, гласит, что интенсивность I рассеиваемого средой света обратно пропорциональна 4-й степени длины волны l падающего света (I ~ l^-4) в случае, когда среда состоит из частиц-диэлектриков, размеры которых много меньше l. I_расс ~ 1/ ⁴

9. Поглощение света, уменьшение интенсивности оптического излучения (света), проходящего через материальную среду, за счёт процессов его взаимодействия со средой. Световая энергия при П. с. переходит в различные формы внутренней энергии среды или оптическое излучние др состава; она может быть полностью или частично переизлучена средой на частотах, отличных от частоты поглощённого излучения.

Закон Бугера.Физический смысл в том, что сам процесс потери фотонов пучка в среде не зависит от их плотности в световом пучке,т.е. от интенсивности света и от полудлины I.

I=I₀ exp(_λl); l – длина волн,_λ- показатель поглощения, I₀ – интенсивность поглощающего пучка.

Бугера — Ламберта — Бера закон, определяет постепенное ослабление параллельного монохроматического (одноцветного) пучка света при распространении его в поглощающем веществе. Если мощность пучка, вошедшего в слой вещества толщиной l, равна I_o, то, согласно Б.—Л.—Б. з., мощность пучка при выходе из слоя

I (l) = I_oe ^{- ccl,}

где c — удельный показатель поглощения света, рассчитанный на единицу концентрации с вещества, определяющего поглощение;

Поглощения показатель (k_l), величина, обратная расстоянию, на котором монохроматический поток излучения частоты n, образующий параллельный пучок, ослабляется за счёт поглощения в веществе в е раз или в 10 раз. Измеряется в см^-1 или м^-1. В спектроскопии и некоторых др. отраслях прикладной оптики термином "П. п." по традиции пользуются для обозначения коэффициента поглощения.

Молярный показатель поглощения

Коэффициент пропускания – отношение потока излучения, прошедшего через среду, к потоку,упавшему на ее поверхность . t = Ф/Ф₀

Оптическая плотность – мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей D = lg(-F₀/F)

Прозра́чность среды́ — отношение величины потока излучения, прошедшего без изменения направления через слой среды единичной толщины к величине падающего потока (то есть без учёта эффектов рассеивания и влияния эффектов на поверхностях раздела).

Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии.

Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры

 — для серого тела

СЕРОЕ ТЕЛО - тело, поглощения коэффициент к-рого меньше 1 и не зависит от длины волны излучения и абс. темп-ры Т. Коэф. поглощения (наз. также коэф. черноты С. т.) всех реальных тел зависит от (селективное поглощение) и Т, поэтому их можно считать серыми лишь в интервалах и Т, где коэф. прибл. постоянен. В видимой области спектра свойствами С. т. обладают каменный уголь ( = 0,80 при 400- 900 К), сажа ( = 0,94-0,96 при 370-470 К); платиновая и висмутовая черни поглощают и излучают как С. т. в наиб. широком интервале - от видимого света до 25-30 мкм ( = 0,93-0,99).

Основные законы излучения:

Закон Стефана — Больцмана — закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона:

Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела:

где - степень черноты (для всех веществ , для абсолютно черного тела ). При помощи закона Планка для излучения, постоянную σ можно определить как

где  — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, c — скорость света.

Численное значение Дж·с⁻¹·м⁻² · К⁻⁴.

Закон излучения Кирхгофа — физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году.

В современной формулировке закон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

Известно, что при падении электромагнитного излучения на некоторое тело часть его отражается, часть поглощается и часть может пропускаться. Доля поглощаемого излучения на данной частоте называется поглощательной способностью тела . С другой стороны, каждое нагретое тело излучает энергию по некоторому закону , именуемым излучательной способностью тела.

Величины и могут сильно меняться при переходе от одного тела к другому, однако согласно закону излучения Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры:

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

где T — температура в кельвинах, а λ_max  — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.