Laboratórne práce

Lom svetla. Meranie index lomu kvapaliny

pomocou refraktometra

Cieľ práce: prehĺbenie pochopenia fenoménu lomu svetla; štúdium metód merania indexu lomu kvapalných médií; štúdium princípu práce s refraktometrom.

Vybavenie: refraktometer, roztoky stolová soľ, pipeta, mäkká handrička na utieranie optických častí prístrojov.

teória

Zákony odrazu a lomu svetla. Index lomu.

Na rozhraní medzi médiami svetlo mení smer svojho šírenia. Časť svetelnej energie sa vracia do prvého média, t.j. svetlo sa odráža. Ak je druhé médium priehľadné, potom časť svetla za určitých podmienok prechádza rozhraním medzi médiami, pričom zvyčajne mení smer šírenia. Tento jav sa nazýva lom svetla (obr. 1).

Ryža. 1. Odraz a lom svetla na plochom rozhraní medzi dvoma médiami.

Smer odrazených a lomených lúčov pri prechode svetla cez ploché rozhranie medzi dvoma priehľadnými médiami je určený zákonmi odrazu a lomu svetla.

Zákon odrazu svetla. Odrazený lúč leží v rovnakej rovine ako dopadajúci lúč a normála sa vrátila do roviny oddelenia média v bode dopadu. Uhol dopadu rovný uhlu odrazu
.

Zákon lomu svetla. Lomený lúč leží v rovnakej rovine ako dopadajúci lúč a normála sa vrátila do roviny oddelenia média v bode dopadu. Uhol dopadu sínusový pomer α na sínus uhla lomu β pre tieto dve média existuje konštantná hodnota, ktorá sa nazýva relatívny index lomu druhého média vo vzťahu k prvému:

Relatívny index lomu dve médiá sa rovná pomeru rýchlosti svetla v prvom médiu v ​​1 k rýchlosti svetla v druhom médiu v 2:

Ak svetlo prichádza z vákua do prostredia, potom sa index lomu prostredia vzhľadom na vákuum nazýva absolútny index lomu tohto prostredia a rovná sa pomeru rýchlosti svetla vo vákuu. s na rýchlosť svetla v danom médiu:

Absolútne indexy lomu sú vždy väčšie ako jednota; pre vzduch n braný ako jeden.

Relatívny index lomu dvoch médií možno vyjadriť ako ich absolútny index n 1 A n 2 :

Stanovenie indexu lomu kvapaliny

Na rýchle a pohodlné určenie indexu lomu kvapalín slúžia špeciálne optické prístroje – refraktometre, ktorých hlavnou súčasťou sú dva hranoly (obr. 2): pomocné Atď. 1 a meranie Pr.2. Testovaná kvapalina sa naleje do medzery medzi hranolmi.

Pri meraní indikátorov možno použiť dve metódy: metódu posuvného lúča (pre priehľadné kvapaliny) a metódu plného lúča. vnútorný odraz(pre tmavé, zakalené a farebné roztoky). V tejto práci je použitý prvý z nich.

Pri metóde grazing beam svetlo z externý zdroj ide cez okraj AB hranoly projekt 1, sa rozplynie na jeho matnom povrchu AC a potom preniká cez vrstvu skúmanej kvapaliny do hranola Pr.2. Matný povrch sa stáva zdrojom lúčov vo všetkých smeroch, takže ho možno pozorovať cez okraj EF hranoly Pr.2. Avšak, okraj AC je možné vidieť cez EF len pod uhlom väčším ako je určitý minimálny uhol i. Veľkosť tohto uhla jednoznačne súvisí s indexom lomu kvapaliny umiestnenej medzi hranolmi, čo je hlavnou myšlienkou konštrukcie refraktometra.

Zvážte prechod svetla cez tvár EF spodný merací hranol Pr.2. Ako je možné vidieť z obr. 2, ak použijeme zákon lomu svetla dvakrát, môžeme získať dva vzťahy:

(1)

(2)

Pri riešení tohto systému rovníc je ľahké dospieť k záveru, že index lomu kvapaliny

(3)

závisí od štyroch veličín: Q, r, r 1 A i. Nie všetky sú však nezávislé. Napríklad,

r+ s= R , (4)

Kde R - uhol lomu hranola Projekt 2. Navyše nastavením uhla Q maximálna hodnota je 90°, z rovnice (1) dostaneme:

(5)

Ale maximálna hodnota uhla r , ako je možné vidieť z obr. 2 a vzťahmi (3) a (4) zodpovedajú minimálne hodnoty uhla i A r 1 , tie. i min A r min .

Index lomu kvapaliny v prípade „pastivých“ lúčov je teda spojený iba s uhlom i. V tomto prípade existuje minimálna hodnota uhla i, keď okraj AC je stále viditeľný, to znamená, že v zornom poli sa javí ako zrkadlovo biely. Pri menších pozorovacích uhloch nie je okraj viditeľný a v zornom poli sa toto miesto javí ako čierne. Keďže teleskop prístroja zachytáva pomerne širokú uhlovú zónu, v zornom poli sú súčasne pozorované svetlé a čierne oblasti, pričom hranica medzi nimi zodpovedá minimálnemu pozorovaciemu uhlu a jednoznačne súvisí s indexom lomu kvapaliny. Pomocou konečného výpočtového vzorca:

(jeho záver je vynechaný) a množstvo kvapalín so známymi indexmi lomu, môžete prístroj kalibrovať, t.j. vytvoriť jedinečnú zhodu medzi indexmi lomu kvapalín a uhlami i min . Všetky uvedené vzorce sú odvodené pre lúče jednej konkrétnej vlnovej dĺžky.

Svetlo rôznych vlnových dĺžok sa bude lámať s prihliadnutím na rozptyl hranola. Keď je teda hranol osvetlený bielym svetlom, rozhranie bude rozmazané a zafarbené v rôznych farbách v dôsledku disperzie. Preto má každý refraktometer kompenzátor, ktorý eliminuje výsledok disperzie. Môže pozostávať z jedného alebo dvoch hranolov priameho videnia - Amici hranolov. Každý hranol Amici sa skladá z troch sklenených hranolov s rôznymi indexmi lomu a rôznym rozptylom, napríklad vonkajšie hranoly sú vyrobené z korunového skla a prostredný je vyrobený z flintového skla (korunové sklo a flintové sklo sú druhy skla). Otáčaním hranola kompenzátora pomocou špeciálneho zariadenia sa dosiahne ostrý, bezfarebný obraz rozhrania, ktorého poloha zodpovedá hodnote indexu lomu pre žltú sodíkovú čiaru λ =5893 Å (hranoly sú navrhnuté tak, aby lúče s vlnovou dĺžkou 5893 Å nezaznamenali vychýlenie).

Lúče prechádzajúce cez kompenzátor vstupujú do šošovky ďalekohľadu, potom prechádzajú cez reverzný hranol cez okulár ďalekohľadu do oka pozorovateľa. Schematická dráha lúčov je znázornená na obr. 3.

Stupnica refraktometra je kalibrovaná na hodnoty indexu lomu a koncentrácie roztoku sacharózy vo vode a je umiestnená v ohniskovej rovine okuláru.

experimentálna časť

Úloha 1. Kontrola refraktometra.

Svetlo nasmerujte pomocou zrkadla na pomocný hranol refraktometra. So zdvihnutým pomocným hranolom napipetujte niekoľko kvapiek destilovanej vody na merací hranol. Sklopením pomocného hranola docielite najlepšie osvetlenie zorného poľa a nastavte okulár tak, aby bol dobre viditeľný zámerný kríž a stupnica indexu lomu. Otočením kamery meracieho hranola získate hranicu svetla a tieňa v zornom poli. Otáčajte kompenzačnou hlavou, kým nezmizne farba hranice medzi svetlom a tieňom. Zarovnajte hranicu svetla a tieňa s nitkovým krížom a zmerajte index lomu vody n zmeniť . Ak refraktometer funguje správne, potom pre destilovanú vodu by mala byť hodnota n 0 = 1,333, ak sa hodnoty líšia od tejto hodnoty, musí sa určiť zmena Δn= n zmeniť - 1,333, čo by sa potom malo brať do úvahy pri ďalšej práci s refraktometrom. Vykonajte opravy v tabuľke 1.

Stôl 1.

n 0

n zmeniť

Δ n

N 2 O

Úloha 2. Stanovenie indexu lomu kvapaliny.

    Určte indexy lomu roztokov známych koncentrácií s prihliadnutím na nájdenú korekciu.

Tabuľka 2

C, zv. %

n zmeniť

n ist

    Zostrojte graf závislosti indexu lomu roztokov kuchynskej soli od koncentrácie na základe získaných výsledkov. Urobte záver o závislosti n na C; vyvodiť závery o presnosti meraní pomocou refraktometra.

    Vezmite soľný roztok neznámej koncentrácie S X , určte jeho index lomu a pomocou grafu nájdite koncentráciu roztoku.

    Odstrániť pracovisko, hranoly refraktometra opatrne utrite vlhkou, čistou handričkou.

Kontrolné otázky

    Odraz a lom svetla.

    Absolútne a relatívne indexy lomu média.

    Princíp činnosti refraktometra. Metóda posuvného lúča.

    Schematická dráha lúčov v hranole. Prečo sú potrebné kompenzačné hranoly?

Šírenie, odraz a lom svetla

Povaha svetla je elektromagnetická. Jedným z dôkazov je zhoda rýchlostí elektromagnetických vĺn a svetla vo vákuu.

V homogénnom prostredí sa svetlo šíri priamočiaro. Toto tvrdenie sa nazýva zákon priamočiareho šírenia svetla. Experimentálnym dôkazom tohto zákona sú ostré tiene vytvárané bodovými zdrojmi svetla.

Geometrická čiara označujúca smer šírenia svetla sa nazýva svetelný lúč. V izotropnom prostredí sú svetelné lúče smerované kolmo na čelo vlny.

Geometrické umiestnenie bodov v médiu oscilujúcich v rovnakej fáze sa nazýva vlnoplocha a množina bodov, do ktorých oscilácia v danom časovom bode došla, sa nazýva čelo vlny. Podľa typu čela vlny sa rozlišujú rovinné a sférické vlny.

Na vysvetlenie procesu šírenia svetla sa používa všeobecný princíp vlnovej teórie o pohybe čela vlny v priestore, ktorý navrhol holandský fyzik H. Huygens. Podľa Huygensovho princípu je každý bod v médiu, do ktorého sa dostane svetelná excitácia, stredom sférických sekundárnych vĺn, ktoré sa tiež šíria rýchlosťou svetla. Povrch obklopujúci čelá týchto sekundárnych vĺn udáva polohu čela skutočne sa šíriacej vlny v danom časovom okamihu.

Je potrebné rozlišovať medzi svetelnými lúčmi a svetelnými lúčmi. Svetelný lúč je časť svetelnej vlny, ktorá nesie svetelnú energiu v danom smere. Pri nahradení svetelného lúča svetelným lúčom, ktorý ho opisuje, sa musí tento lúč považovať za zhodný s osou dostatočne úzkeho, ale zároveň s konečnou šírkou (prierezové rozmery sú oveľa väčšie ako vlnová dĺžka) svetla. lúč.

Existujú divergentné, zbiehajúce sa a kváziparalelné svetelné lúče. Často sa používajú termíny lúč svetelných lúčov alebo jednoducho svetelné lúče, čo znamená súbor svetelných lúčov, ktoré opisujú skutočný svetelný lúč.

Rýchlosť svetla vo vákuu c = 3 108 m/s je univerzálna konštanta a nezávisí od frekvencie. Prvýkrát bola rýchlosť svetla experimentálne určená astronomickou metódou dánskym vedcom O. Roemerom. Presnejšie, rýchlosť svetla zmeral A. Michelson.

V hmote je rýchlosť svetla menšia ako vo vákuu. Pomer rýchlosti svetla vo vákuu k jeho rýchlosti v danom prostredí sa nazýva absolútny index lomu prostredia:

kde c je rýchlosť svetla vo vákuu, v je rýchlosť svetla v danom prostredí. Absolútne indexy lomu všetkých látok sú väčšie ako jednota.

Keď sa svetlo šíri prostredím, je absorbované a rozptýlené a na rozhraní medzi médiami sa odráža a láme.

Zákon odrazu svetla: dopadajúci lúč, odrazený lúč a kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami, obnovené v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine; uhol odrazu g sa rovná uhlu dopadu a (obr. 1). Tento zákon sa zhoduje so zákonom odrazu pre vlny akejkoľvek povahy a možno ho získať ako dôsledok Huygensovho princípu.

Zákon lomu svetla: dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica na rozhranie medzi dvoma prostrediami, obnovené v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine; pomer sínusu uhla dopadu k sínusu uhla lomu pre danú frekvenciu svetla je konštantná hodnota nazývaná relatívny index lomu druhého prostredia vzhľadom na prvé:

Experimentálne stanovený zákon lomu svetla je vysvetlený na základe Huygensovho princípu. Podľa vlnových koncepcií je lom dôsledok zmien rýchlosti šírenia vĺn pri prechode z jedného média do druhého a fyzický význam relatívny index lomu je pomer rýchlosti šírenia vĺn v prvom prostredí v1 k rýchlosti ich šírenia v druhom prostredí

Pre médiá s absolútnymi indexmi lomu n1 a n2 sa relatívny index lomu druhého média vzhľadom na prvé rovná pomeru absolútneho indexu lomu druhého média k absolútnemu indexu lomu prvého média:

Prostredie, ktoré má vyšší index lomu, sa nazýva opticky hustejšie, rýchlosť šírenia svetla v ňom je nižšia. Ak svetlo prechádza z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého, potom pri určitom uhle dopadu a0 by sa mal uhol lomu rovnať p/2. Intenzita lomu lúča sa v tomto prípade rovná nule. Svetlo dopadajúce na rozhranie medzi dvoma médiami sa od neho úplne odráža.

Uhol dopadu a0, pri ktorom dochádza k úplnému vnútornému odrazu svetla, sa nazýva hraničný uhol úplného vnútorného odrazu. Pri všetkých uhloch dopadu rovných a väčších ako a0 dochádza k úplnému odrazu svetla.

Rozsah limitný uhol sa zistí zo vzťahu Ak n2 = 1 (vákuum), potom

2 Index lomu látky je hodnota rovnajúca sa pomeru fázových rýchlostí svetla ( elektromagnetické vlny) vo vákuu a v danom prostredí. Hovoria tiež o indexe lomu pre akékoľvek iné vlny, napríklad zvuk

Index lomu závisí od vlastností látky a vlnovej dĺžky žiarenia, pri niektorých látkach sa index lomu mení pomerne silno, keď sa frekvencia elektromagnetických vĺn mení z nízkych frekvencií na optické a ďalej, a môže sa meniť ešte výraznejšie v určité oblasti frekvenčnej stupnice. Predvolené nastavenie sa zvyčajne vzťahuje na optický rozsah alebo rozsah určený kontextom.

Existujú opticky anizotropné látky, v ktorých index lomu závisí od smeru a polarizácie svetla. Takéto látky sú celkom bežné, najmä sú to všetky kryštály s pomerne nízkou symetriou kryštálovej mriežky, ako aj látky podliehajúce mechanickej deformácii.

Index lomu možno vyjadriť ako odmocnina zo súčinu magnetických a dielektrických konštánt média

(treba vziať do úvahy, že hodnoty magnetickej permeability a absolútnej dielektrickej konštanty pre požadovaný frekvenčný rozsah - napríklad optický - sa môžu veľmi líšiť od statickej hodnoty týchto hodnôt).

Na meranie indexu lomu sa používajú manuálne a automatické refraktometre. Keď sa na stanovenie koncentrácie cukru vo vodnom roztoku používa refraktometer, zariadenie sa nazýva sacharimeter.

Pomer sínusu uhla dopadu () lúča k sínusu uhla lomu () pri prechode lúča z média A do média B sa nazýva relatívny index lomu pre túto dvojicu prostredí.

Veličina n je relatívny index lomu média B vo vzťahu k médiu A, аn" = 1/n je relatívny index lomu média A vo vzťahu k médiu B.

Táto hodnota, ak sú ostatné veci rovnaké, je zvyčajne menšia ako jednota, keď lúč prechádza z média s vyššou hustotou do média s menšou hustotou, a väčšia ako jednota, keď lúč prechádza z média s menšou hustotou do média s hustejšou (napríklad z plyn alebo z vákua na kvapalinu alebo pevnú látku). Z tohto pravidla existujú výnimky, a preto je zvykom nazývať médium opticky viac či menej husté ako iné (nezamieňať s optická hustota ako meradlo nepriehľadnosti prostredia).

Lúč dopadajúci z priestoru bez vzduchu na povrch nejakého média B sa láme silnejšie ako keď naň dopadá z iného média A; Index lomu lúča dopadajúceho na médium z bezvzduchového priestoru sa nazýva jeho absolútny index lomu alebo jednoducho index lomu daného média, ide o index lomu, ktorého definícia je uvedená na začiatku článku. Index lomu akéhokoľvek plynu, vrátane vzduchu, je za normálnych podmienok oveľa menší ako index lomu kvapalín alebo pevných látok, preto možno približne (a s relatívne dobrou presnosťou) absolútny index lomu posúdiť podľa indexu lomu vzhľadom na vzduch.

Ryža. 3. Princíp činnosti interferenčného refraktometra. Svetelný lúč je rozdelený tak, že jeho dve časti prechádzajú cez kyvety dĺžky l naplnené látkami s rôznym indexom lomu. Na výstupe z kyviet lúče nadobudnú určitý dráhový rozdiel a keď sa spoja, vytvoria na obrazovke obraz interferenčných maxím a miním s rádmi k (zobrazené schematicky vpravo). Rozdiel indexu lomu Dn=n2 –n1 =kl/2, kde l je vlnová dĺžka svetla.

Refraktometre sú prístroje používané na meranie indexu lomu látok. Princíp činnosti refraktometra je založený na fenoméne úplného odrazu. Ak rozptýlený lúč svetla dopadá na rozhranie medzi dvoma médiami s indexmi lomu a z opticky hustejšieho prostredia, potom lúče od určitého uhla dopadu nevstupujú do druhého prostredia, ale úplne sa odrážajú od rozhranie v prvom médiu. Tento uhol sa nazýva hraničný uhol úplného odrazu. Obrázok 1 ukazuje správanie sa lúčov pri dopade do určitého prúdu tohto povrchu. Lúč prichádza v extrémnom uhle. Zo zákona lomu môžeme určiť: , (od).

Veľkosť limitného uhla závisí od relatívneho indexu lomu oboch médií. Ak lúče odrazené od povrchu smerujú na zbernú šošovku, tak v ohniskovej rovine šošovky vidíte hranicu svetla a penumbry, pričom poloha tejto hranice závisí od hodnoty limitného uhla, a teda od index lomu. Zmena indexu lomu jedného z médií má za následok zmenu polohy rozhrania. Rozhranie medzi svetlom a tieňom môže slúžiť ako indikátor pri určovaní indexu lomu, ktorý sa používa v refraktometroch. Táto metóda stanovenia indexu lomu sa nazýva metóda úplného odrazu

Okrem metódy úplného odrazu využívajú refraktometre metódu grazing beam. Pri tejto metóde dopadá rozptýlený lúč svetla na hranicu z opticky menej hustého prostredia vo všetkých možných uhloch (obr. 2). Lúč kĺzajúci po povrchu () zodpovedá medznému uhlu lomu (lúč na obr. 2). Ak do dráhy lúčov () lomených na povrchu umiestnime šošovku, tak v ohniskovej rovine šošovky uvidíme aj ostrú hranicu medzi svetlom a tieňom.

Ryža. 2

Keďže podmienky určujúce hodnotu medzného uhla sú pri oboch metódach rovnaké, poloha rozhrania je rovnaká. Obe metódy sú ekvivalentné, ale metóda úplného odrazu umožňuje merať index lomu nepriehľadných látok

Dráha lúčov v trojuholníkovom hranole

Obrázok 9 zobrazuje prierez skleneným hranolom s rovinou kolmou na jeho bočné okraje. Lúč v hranole je vychýlený smerom k základni, pričom sa láme na okrajoch OA a 0B. Uhol j medzi týmito plochami sa nazýva uhol lomu hranola. Uhol vychýlenia lúča závisí od uhla lomu hranola, indexu lomu n materiálu hranolu a uhla dopadu. Dá sa vypočítať pomocou zákona lomu (1.4).

Refraktometer používa zdroj bieleho svetla 3. V dôsledku rozptylu, keď svetlo prechádza hranolmi 1 a 2, sa hranica svetla a tieňa ukáže ako farebná. Aby sa tomu zabránilo, je pred šošovkou ďalekohľadu umiestnený kompenzátor 4. Pozostáva z dvoch rovnakých hranolov, z ktorých každý je zlepený z troch hranolov s rôznymi indexmi lomu. Hranoly sa vyberajú tak, aby vznikol monochromatický lúč s vlnovou dĺžkou= 589,3 um. (vlnová dĺžka sodíkovej žltej čiary) nebola testovaná po prechode kompenzátorom vychýlenia. Lúče s inými vlnovými dĺžkami sú vychyľované hranolmi do rôznych smerov. Pohybom kompenzačných hranolov pomocou špeciálnej rukoväte zabezpečíme, aby bola hranica medzi svetlom a tmou čo najjasnejšia.

Svetelné lúče, ktoré prešli kompenzátorom, vstupujú do šošovky 6 ďalekohľadu. Obraz rozhrania svetlo-tieň je pozorovaný cez okulár 7 ďalekohľadu. Zároveň sa cez okulár pozerá na stupnicu 8. Keďže hraničný uhol lomu a hraničný uhol úplného odrazu závisia od indexu lomu kvapaliny, hodnoty tohto indexu lomu sú ihneď vyznačené na stupnici refraktometra .

Optická sústava refraktometra obsahuje aj otočný hranol 5. Umožňuje umiestniť os ďalekohľadu kolmo na hranoly 1 a 2, čím je pozorovanie pohodlnejšie.

Index lomu

Index lomu látky - množstvo rovnajúce sa pomeru fázových rýchlostí svetla (elektromagnetického vlnenia) vo vákuu a v danom prostredí. O indexe lomu sa niekedy hovorí aj pre akékoľvek iné vlny, napríklad zvuk, hoci v prípadoch, ako je ten druhý, musí byť definícia, samozrejme, nejako upravená.

Index lomu závisí od vlastností látky a vlnovej dĺžky žiarenia, pri niektorých látkach sa index lomu mení pomerne silno, keď sa frekvencia elektromagnetických vĺn mení z nízkych frekvencií na optické a ďalej, a môže sa meniť ešte výraznejšie v určité oblasti frekvenčnej stupnice. Predvolené nastavenie sa zvyčajne vzťahuje na optický rozsah alebo rozsah určený kontextom.

Odkazy

  • Databáza indexu lomu RefractiveIndex.INFO

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „Index lomu“ v iných slovníkoch:

    Relatívne k dvom prostrediam n21, bezrozmerný pomer rýchlostí šírenia optického žiarenia (c svetlo) v prvom (c1) a druhom (c2) prostredí: n21 = c1/c2. Zároveň to súvisí. P. p. je pomer sínusov g l a p a d e n i j a y g l ... ... Fyzická encyklopédia

    Pozri index lomu...

    Pozri index lomu. * * * INDEX LOMU INDEX lomu, pozri Index lomu (pozri INDEX lomu) ... encyklopedický slovník- INDEX lomu, veličina charakterizujúca prostredie a rovná sa pomeru rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v médiu ( absolútny ukazovateľ refrakcia). Index lomu n závisí od dielektrika e a magnetickej permeability m... ... Ilustrované encyklopedický slovník

    - (pozri INDEX LOMU). Fyzický encyklopedický slovník. M.: Sovietska encyklopédia. Hlavný editor A. M. Prochorov. 1983... Fyzická encyklopédia

    Pozri index lomu... Veľká sovietska encyklopédia

    Pomer rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v médiu (absolútny index lomu). Relatívny index lomu 2 prostredí je pomer rýchlosti svetla v prostredí, z ktorého svetlo dopadá na rozhranie k rýchlosti svetla v druhom... ... Veľký encyklopedický slovník

Lístok 75.

Zákon odrazu svetla: dopadajúci a odrazený lúč, ako aj kolmica na rozhranie medzi dvoma prostrediami, rekonštruované v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine (rovine dopadu). Uhol odrazu γ sa rovná uhlu dopadu α.

Zákon lomu svetla: dopadajúce a lomené lúče, ako aj kolmica na rozhranie medzi dvoma médiami, rekonštruované v bode dopadu lúča, ležia v rovnakej rovine. Pomer sínusu uhla dopadu α ​​k sínusu uhla lomu β je konštantná hodnota pre dve dané prostredia:

Zákony odrazu a lomu sú vysvetlené vo vlnovej fyzike. Podľa vlnových konceptov je refrakcia dôsledkom zmien rýchlosti šírenia vĺn pri prechode z jedného média do druhého. Fyzikálny význam indexu lomu je pomer rýchlosti šírenia vĺn v prvom prostredí υ 1 k rýchlosti ich šírenia v druhom prostredí υ 2:

Obrázok 3.1.1 znázorňuje zákony odrazu a lomu svetla.

Prostredie s nižším absolútnym indexom lomu sa nazýva opticky menej husté.

Keď svetlo prechádza z opticky hustejšieho prostredia do opticky menej hustého prostredia n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать fenomén úplného odrazu, teda zmiznutie lomeného lúča. Tento jav sa pozoruje pri uhloch dopadu presahujúcich určitý kritický uhol α pr, ktorý sa nazýva hraničný uhol celkového vnútorného odrazu(pozri obr. 3.1.2).

Pre uhol dopadu α ​​= α pr sin β = 1; hodnota sin α pr = n 2 / n 1< 1.

Ak je druhým médiom vzduch (n 2 ≈ 1), potom je vhodné prepísať vzorec do tvaru

Fenomén úplného vnútorného odrazu sa využíva v mnohých optických zariadeniach. Najzaujímavejšou a prakticky najdôležitejšou aplikáciou je vytváranie optických vlákien, čo sú tenké (od niekoľkých mikrometrov až po milimetre) ľubovoľne zakrivené vlákna z opticky priehľadného materiálu (sklo, kremeň). Svetlo dopadajúce na koniec svetlovodu sa môže pohybovať pozdĺž neho na veľké vzdialenosti v dôsledku úplného vnútorného odrazu od bočných plôch (obrázok 3.1.3). Vedecký a technický smer, ktorý sa podieľa na vývoji a aplikácii optických svetlovodov, sa nazýva vláknová optika.

Disperzia svetla (rozklad svetla)- ide o jav spôsobený závislosťou absolútneho indexu lomu látky od frekvencie (alebo vlnovej dĺžky) svetla (frekvenčná disperzia), alebo to isté, o závislosť fázovej rýchlosti svetla v látke od vlnová dĺžka (alebo frekvencia). Experimentálne ho objavil Newton okolo roku 1672, hoci teoreticky celkom dobre vysvetlené oveľa neskôr.

Priestorový rozptyl sa nazýva závislosť tenzora dielektrickej konštanty prostredia od vlnového vektora. Táto závislosť spôsobuje množstvo javov nazývaných efekty priestorovej polarizácie.

Jeden z najviac názorné príklady odchýlky - rozklad bieleho svetla pri prechode hranolom (Newtonov experiment). Podstatou disperzného javu je rozdiel v rýchlosti šírenia svetelných lúčov rôznych vlnových dĺžok v priehľadnej látke – optickom prostredí (zatiaľ čo vo vákuu je rýchlosť svetla vždy rovnaká, bez ohľadu na vlnovú dĺžku a teda farbu). Typicky, čím vyššia je frekvencia svetelnej vlny, tým vyšší je index lomu média a tým nižšia je rýchlosť vlny v médiu:

Newtonove experimenty Experiment s rozkladom bieleho svetla na spektrum: Newton nasmeroval lúč slnečné svetlo cez malý otvor na sklenený hranol. Pri dopade na hranol sa lúč lámal a na protiľahlej stene dával podlhovastý obraz s dúhovým striedaním farieb - spektrum. Experimentujte s prechodom monochromatického svetla cez hranol: Newton umiestnil do dráhy slnečného lúča červené sklo, za ktorým dostal monochromatické svetlo (červené), potom hranol a na obrazovke pozoroval len červenú škvrnu zo svetelného lúča. Skúsenosti so syntézou (výrobou) bieleho svetla: Najprv Newton nasmeroval lúč slnečného svetla na hranol. Potom, keď Newton zozbieral farebné lúče vychádzajúce z hranola pomocou zbernej šošovky, namiesto farebného pruhu dostal biely obraz diery na bielej stene. Newtonove závery:- hranol nemení svetlo, ale iba ho rozkladá na jeho zložky - farebne sa líšiace svetelné lúče sa líšia stupňom lomu; Fialové lúče sa lámu najsilnejšie, červené menej - červené svetlo, ktoré sa láme menej, má najväčšiu rýchlosť a fialové najmenej, preto hranol rozkladá svetlo. Závislosť indexu lomu svetla od jeho farby sa nazýva disperzia.

Závery:- hranol rozkladá svetlo - biele svetlo je zložité (zložené) - fialové lúče sa lámu silnejšie ako červené. Farba svetelného lúča je určená frekvenciou jeho vibrácií. Pri prechode z jedného média do druhého sa rýchlosť svetla a vlnová dĺžka mení, ale frekvencia, ktorá určuje farbu, zostáva konštantná. Hranice rozsahov bieleho svetla a jeho zložiek sú zvyčajne charakterizované ich vlnovými dĺžkami vo vákuu. Biele svetlo je súbor vĺn s dĺžkami od 380 do 760 nm.

Lístok 77.

Absorpcia svetla. Bouguerov zákon

Absorpcia svetla v hmote je spojená s premenou energie elektromagnetického poľa vlny na termálna energia látok (alebo do energie sekundárneho fotoluminiscenčného žiarenia). Zákon absorpcie svetla (Bouguerov zákon) má tvar:

Ja = ja 0 exp(-X),(1)

Kde ja 0 , ja- intenzita svetla na vstupe (x=0) a ponechanie vrstvy strednej hrúbky X,- absorpčný koeficient, závisí od .

Pre dielektrikum  =10 -1 10 -5 m -1 , pre kovy =10 5 10 7 m -1 , Preto sú kovy pre svetlo nepriepustné.

Závislosť  () vysvetľuje farbu absorbujúcich telies. Napríklad sklo, ktoré slabo pohlcuje červené svetlo, sa pri osvetlení bielym svetlom javí ako červené.

Rozptyl svetla. Rayleighov zákon

K difrakcii svetla môže dochádzať v opticky nehomogénnom prostredí, napríklad v zakalenom prostredí (dym, hmla, prašný vzduch a pod.). Difrakciou na nehomogenitách média vytvárajú svetelné vlny difrakčný obrazec charakterizovaný pomerne rovnomerným rozložením intenzity vo všetkých smeroch.

Táto difrakcia malými nehomogenitami sa nazýva rozptyl svetla.

Tento jav sa pozoruje, keď úzky lúč slnečného svetla prechádza prašným vzduchom, rozptýli sa na prachových časticiach a stane sa viditeľným.

Ak sú veľkosti nehomogenít malé v porovnaní s vlnovou dĺžkou (nie viac ako 0,1 ), potom sa intenzita rozptýleného svetla ukáže ako nepriamo úmerná štvrtej mocnine vlnovej dĺžky, t.j.

ja diss ~ 1/ 4 , (2)

táto závislosť sa nazýva Rayleighov zákon.

Rozptyl svetla sa pozoruje aj v čistých médiách, ktoré neobsahujú cudzie častice. Napríklad sa môže vyskytnúť pri fluktuáciách (náhodných odchýlkach) hustoty, anizotropie alebo koncentrácie. Tento typ rozptylu sa nazýva molekulárny rozptyl. Vysvetľuje napríklad modrú farbu oblohy. V skutočnosti sú podľa (2) modré a modré lúče rozptýlené silnejšie ako červené a žlté, pretože majú kratšiu vlnovú dĺžku, čo spôsobuje modrú farbu oblohy.

Lístok 78.

Polarizácia svetla- súbor javov vlnovej optiky, v ktorých sa prejavuje priečny charakter elektromagnetických svetelných vĺn. Priečna vlna- častice média kmitajú v smeroch kolmých na smer šírenia vlny ( Obr.1).

Obr.1 Priečna vlna

Elektromagnetická svetelná vlna rovinne polarizované(lineárna polarizácia), ak sú smery oscilácie vektorov E a B striktne fixné a ležia v určitých rovinách ( Obr.1). Nazýva sa rovinná polarizovaná svetelná vlna rovinne polarizované(lineárne polarizované) svetlo. Nepolarizované(prirodzená) vlna - elektromagnetická svetelná vlna, v ktorej smery kmitania vektorov E a B v tejto vlne môžu ležať v ľubovoľných rovinách kolmých na vektor rýchlosti v. Nepolarizované svetlo- svetelné vlny, v ktorých sa chaoticky menia smery kmitov vektorov E a B tak, že všetky smery kmitov v rovinách kolmých na lúč šírenia vĺn sú rovnako pravdepodobné ( Obr.2).

Obr.2 Nepolarizované svetlo

Polarizované vlny- v ktorom smery vektorov E a B zostávajú v priestore nezmenené alebo sa menia podľa určitého zákona. Žiarenie, v ktorom sa smer vektora E chaoticky mení - nepolarizované. Príkladom takéhoto žiarenia je tepelné žiarenie (chaoticky rozložené atómy a elektróny). Rovina polarizácie- je to rovina kolmá na smer kmitov vektora E. Hlavným mechanizmom vzniku polarizovaného žiarenia je rozptyl žiarenia elektrónmi, atómami, molekulami a prachovými časticami.

1.2. Druhy polarizácie Existujú tri typy polarizácie. Dajme im definície. 1. Lineárne Vyskytuje sa, ak elektrický vektor E si zachováva svoju polohu v priestore. Zdá sa, že zvýrazňuje rovinu, v ktorej vektor E osciluje. 2. Kruhový Ide o polarizáciu, ku ktorej dochádza, keď sa elektrický vektor E otáča okolo smeru šírenia vlny s uhlovou rýchlosťou rovnajúcou sa uhlovej frekvencii vlny, pričom si zachováva svoju absolútnu hodnotu. Táto polarizácia charakterizuje smer rotácie vektora E v rovine kolmej na priamku pohľadu. Príkladom je cyklotrónové žiarenie (systém elektrónov rotujúcich v magnetickom poli). 3. Eliptický Vzniká vtedy, keď sa veľkosť elektrického vektora E zmení tak, že opisuje elipsu (otočenie vektora E). Eliptická a kruhová polarizácia môže byť pravotočivá (vektor E sa otáča v smere hodinových ručičiek pri pohľade smerom k šíriacej sa vlne) a ľavotočivá (vektor E sa otáča proti smeru hodinových ručičiek pri pohľade smerom k šíriacej sa vlne).

V skutočnosti sa vyskytuje najčastejšie čiastočná polarizácia (čiastočne polarizované elektromagnetické vlny). Kvantitatívne sa vyznačuje určitou veličinou tzv stupeň polarizácie R, ktorý je definovaný ako: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Kde Imax,Immin- najvyššia a najnižšia hustota toku elektromagnetickej energie cez analyzátor (Polaroid, Nicolas hranol...). V praxi sa polarizácia žiarenia často popisuje pomocou Stokesových parametrov (určujú toky žiarenia s daným smerom polarizácie).

Lístok 79.

Ak prirodzené svetlo dopadá na rozhranie medzi dvoma dielektrikami (napríklad vzduchom a sklom), potom sa jeho časť odráža a časť sa láme a šíri sa v druhom prostredí. Inštaláciou analyzátora (napríklad turmalínu) do dráhy odrazených a lomených lúčov zabezpečíme, že odrazené a lomené lúče sú čiastočne polarizované: keď sa analyzátor otáča okolo lúčov, intenzita svetla sa periodicky zvyšuje a zoslabuje ( nie je pozorované úplné ochladenie!). Ďalšie štúdie ukázali, že v odrazenom lúči prevládajú vibrácie kolmé na rovinu dopadu (na obr. 275 sú označené bodkami), zatiaľ čo v lomenom zväzku prevládajú vibrácie rovnobežné s rovinou dopadu (znázornené šípkami).

Stupeň polarizácie (miera, do akej sú svetelné vlny oddelené pri určitej orientácii elektrického (a magnetického) vektora) závisí od uhla dopadu lúčov a indexu lomu. Škótsky fyzik D. Brewster(1781-1868) inštalovaný zákona, podľa ktorého pri uhle dopadu i B (Brewsterov uhol), určený vzťahom

(n 21 - index lomu druhého média vo vzťahu k prvému), odrazený lúč je rovinne polarizovaný(obsahuje len vibrácie kolmé na rovinu dopadu) (obr. 276). Lomený lúč pod uhlom dopadui B polarizované na maximum, ale nie úplne.

Ak svetlo dopadá na rozhranie v Brewsterovom uhle, potom odrazené a lomené lúče vzájomne kolmé(tg i B = hriech i B/cos i B, n 21 = hriech i B / hriech i 2 (i 2 - uhol lomu), odkiaľ pochádza cos i B = hriech i 2). teda i B + i 2 = /2, ale i’ B= i B (zákon odrazu), teda i’ B+ i 2 = /2.

Stupeň polarizácie odrazeného a lomeného svetla pri rôznych uhloch dopadu možno vypočítať z Maxwellových rovníc, ak zoberieme do úvahy okrajové podmienky pre elektromagnetické pole na rozhraní dvoch izotropných dielektrík (tzv. Fresnelove vzorce).

Stupeň polarizácie lomeného svetla možno výrazne zvýšiť (viacnásobným lomom za predpokladu, že svetlo dopadá zakaždým na rozhranie pod Brewsterovým uhlom). Ak napríklad pre sklo ( n= 1.53) je stupeň polarizácie lomeného lúča 15 %, potom po lomení na 8-10 sklenených platní na seba navrstvených bude svetlo vychádzajúce z takéhoto systému takmer úplne polarizované. Takáto zbierka tanierov je tzv noha. Noha môže byť použitá na analýzu polarizovaného svetla počas jeho odrazu aj počas jeho lomu.

Lístok 79 (pre Spur)

Ako ukazuje skúsenosť, počas lomu a odrazu svetla sa lomené a odrazené svetlo ukáže ako polarizované a odraz. svetlo môže byť pri určitom uhle dopadu úplne polarizované, ale náhodne. svetlo je vždy čiastočne polarizované.Na základe Frinellových vzorcov možno ukázať, že odraz. Svetlo je polarizované v rovine kolmej na rovinu dopadu a láme sa. svetlo je polarizované v rovine rovnobežnej s rovinou dopadu.

Uhol dopadu, pri ktorom dochádza k odrazu svetlo je úplne polarizované sa nazýva Brewsterov uhol Brewsterov uhol je určený z Brewsterovho zákona: - Brewsterov zákon.V tomto prípade uhol medzi odrazmi. a lom. lúče budú rovnaké.Pre systém vzduch-sklo je Brewsterov uhol rovnaký.Na získanie dobrej polarizácie, t.j. , pri lámaní svetla sa používa veľa jedlých povrchov, ktoré sa nazývajú Stoletovova zastávka.

Lístok 80.

Skúsenosti ukazujú, že pri interakcii svetla s hmotou je hlavný efekt (fyziologický, fotochemický, fotoelektrický atď.) spôsobený osciláciami vektora, ktorý sa v tejto súvislosti niekedy nazýva svetelný vektor. Preto sa na opis vzorcov polarizácie svetla sleduje správanie vektora.

Rovina tvorená vektormi a nazýva sa rovina polarizácie.

Ak sa oscilácie vektorov vyskytujú v jednej pevnej rovine, potom sa takéto svetlo (lúč) nazýva lineárne polarizované. Bežne sa označuje nasledovne. Ak je lúč polarizovaný v kolmej rovine (v rovine xoz, pozri obr. 2 v druhej prednáške), potom je určený.

Prirodzené svetlo (z bežných zdrojov, slnko) pozostáva z vĺn, ktoré majú rôzne, chaoticky rozložené roviny polarizácie (pozri obr. 3).

Prirodzené svetlo sa niekedy takto bežne označuje. Nazýva sa aj nepolarizovaný.

Ak sa pri šírení vlny vektor otáča a koniec vektora opisuje kruh, potom sa takéto svetlo nazýva kruhovo polarizované a polarizácia sa nazýva kruhová alebo kruhová (pravá alebo ľavá). Existuje aj eliptická polarizácia.

Existujú optické zariadenia (filmy, platne atď.) - polarizátory, ktoré extrahujú lineárne polarizované svetlo alebo čiastočne polarizované svetlo z prirodzeného svetla.

Polarizátory používané na analýzu polarizácie svetla sa nazývajú analyzátory.

Rovina polarizátora (alebo analyzátora) je rovina polarizácie svetla prenášaného polarizátorom (alebo analyzátorom).

Nechajte lineárne polarizované svetlo s amplitúdou dopadať na polarizátor (alebo analyzátor) E 0 Amplitúda prechádzajúceho svetla bude rovná E=E 0 cos j a intenzitu Ja = ja 0 čo 2 j.

Tento vzorec vyjadruje Malusov zákon:

Intenzita lineárne polarizovaného svetla prechádzajúceho cez analyzátor je úmerná druhej mocnine kosínusu uhla j medzi rovinou oscilácie dopadajúceho svetla a rovinou analyzátora.

Lístok 80 (na podnet)

Polarizátory sú zariadenia, ktoré umožňujú získať polarizované svetlo. Analyzátory sú zariadenia, pomocou ktorých možno analyzovať, či je svetlo polarizované alebo nie. Konštrukčne sú polarizátor a analyzátor jedno a to isté. Zn Malus. Nechajte svetlo dopadať na svetlo. polarizátor, ak je svetlo prirodzené -th potom sú rovnako pravdepodobné všetky smery vektora E. Každý vektor možno rozložiť na dve vzájomne kolmé zložky: jedna z nich je rovnobežná s rovinou polarizácie polarizátora a druhá je kolmá na to.

Je zrejmé, že intenzita svetla vychádzajúceho z polarizátora bude rovnaká. Intenzitu svetla vychádzajúceho z polarizátora označme () Ak je na dráhe polarizovaného svetla umiestnený analyzátor, ktorého hlavná rovina tvorí uhla s hlavnou rovinou polarizátora, potom je intenzita svetla vychádzajúceho z analyzátora určená zákonom.

Lístok 81.

Sovietsky fyzik P. A. Čerenkov pri štúdiu žiary roztoku uránových solí pod vplyvom rádiových lúčov upozornil na skutočnosť, že žiari aj samotná voda, v ktorej nie sú žiadne uránové soli. Ukázalo sa, že keď lúče (pozri Gama žiarenie) prechádzajú čistými kvapalinami, všetky začnú žiariť. S. I. Vavilov, pod vedením ktorého pracoval P. A. Čerenkov, vyslovil hypotézu, že žiara súvisí s pohybom elektrónov vyrazených z atómov kvantami rádia. Žiara skutočne silne závisela od smeru magnetického poľa v kvapaline (to naznačuje, že bola spôsobená pohybom elektrónov).

Prečo však elektróny pohybujúce sa v kvapaline vyžarujú svetlo? Správnu odpoveď na túto otázku dali v roku 1937 sovietski fyzici I. E. Tamm a I. M. Frank.

Elektrón, ktorý sa pohybuje v látke, interaguje s atómami, ktoré ho obklopujú. Vplyvom jeho elektrického poľa sa atómové elektróny a jadrá premiestňujú v opačných smeroch - médium je polarizované. Polarizované a potom sa vracajúce do pôvodného stavu, atómy média umiestnené pozdĺž elektrónovej trajektórie vyžarujú elektromagnetické svetelné vlny. Ak je rýchlosť elektrónu v menšia ako rýchlosť šírenia svetla v médiu (index lomu), potom elektromagnetické pole predbehne elektrón a látka bude mať čas na polarizáciu v priestore pred elektrónom. Polarizácia média pred a za elektrónom je v opačnom smere a žiarenia opačne polarizovaných atómov sa „sčítajú“ a navzájom sa „uhášajú“. Keď atómy, ktoré ešte elektrón nedosiahol, sa nestihnú polarizovať a žiarenie sa objaví nasmerované pozdĺž úzkej kužeľovej vrstvy s vrcholom zhodným s pohybujúcim sa elektrónom a uhlom na vrchole c. Vzhľad svetelného "kužeľa" a stav žiarenia možno získať z všeobecné zásadyšírenie vĺn.

Ryža. 1. Mechanizmus vzniku vlnoplochy

Nechajte elektrón pohybovať sa pozdĺž osi OE (pozri obr. 1) veľmi úzkeho prázdneho kanála v homogénnej priehľadnej látke s indexom lomu (prázdny kanál je potrebný, aby sa nezohľadnili kolízie elektrónu s atómami v teoretická úvaha). Akýkoľvek bod na čiare OE postupne obsadený elektrónom bude stredom emisie svetla. Vlny vychádzajúce z po sebe nasledujúcich bodov O, D, E sa navzájom rušia a sú zosilnené, ak je fázový rozdiel medzi nimi nulový (pozri Interferencia). Táto podmienka je splnená pre smer, ktorý zviera s dráhou elektrónu uhol 0. Uhol 0 je určený vzťahom:.

V skutočnosti uvažujme dve vlny emitované v smere pod uhlom 0 k rýchlosti elektrónu z dvoch bodov trajektórie - bodu O a bodu D, oddelených vzdialenosťou . V bode B, ležiacom na priamke BE, kolmej na OB, prvá vlna na - po čase Do bodu F, ležiaceho na priamke BE, vlna vyžarovaná z bodu dorazí v okamihu po vlne vyžarovanej z bodu O Tieto dve vlny budú vo fáze, t.j. priamka bude čelom vlny, ak sú tieto časy rovnaké:. To dáva podmienku rovnosti časov. Vo všetkých smeroch, pre ktoré bude svetlo zhasnuté v dôsledku interferencie vĺn vyžarovaných z úsekov trajektórie oddelených vzdialenosťou D. Hodnota D je určená zrejmou rovnicou, kde T je perióda oscilácií svetla. Táto rovnica má vždy riešenie, ak.

Ak , potom smer, v ktorom sú emitované vlny pri interferencii zosilnené, neexistuje a nemôže byť väčší ako 1.

Ryža. 2. Rozloženie zvukových vĺn a vznik rázovej vlny pri pohybe tela

Žiarenie sa pozoruje iba vtedy, ak .

Experimentálne elektróny lietajú v konečnom priestorovom uhle s určitou rýchlosťou a v dôsledku toho sa žiarenie šíri v kužeľovej vrstve blízko hlavného smeru určeného uhlom.

V našej úvahe sme zanedbali spomalenie elektrónov. To je celkom prijateľné, pretože straty spôsobené žiarením Vavilov-Čerenkov sú malé a na prvé priblíženie môžeme predpokladať, že energia stratená elektrónom neovplyvňuje jeho rýchlosť a pohybuje sa rovnomerne. V tom zásadný rozdiel a nezvyčajnosť žiarenia Vavilov-Čerenkov. Náboje sa zvyčajne vyžarujú pri výraznom zrýchlení.

Elektrón predbiehajúci svoje svetlo je podobný lietadlu letiacemu rýchlosťou vyššou ako rýchlosť zvuku. Kužeľový výboj sa v tomto prípade šíri aj pred lietadlom. zvuková vlna, (pozri obr. 2).

Lom alebo lom je jav, pri ktorom dochádza k zmene smeru svetelného lúča alebo iných vĺn, keď prekročia hranicu oddeľujúcu dve prostredia, obe priehľadné (prepúšťajúce tieto vlny) a vo vnútri prostredia, v ktorom sa vlastnosti plynule menia.

S fenoménom lomu sa stretávame pomerne často a vnímame ho ako každodenný jav: vidíme, že tyčinka umiestnená v priehľadnom pohári s farebnou tekutinou je „zlomená“ v mieste oddelenia vzduchu a vody (obr. 1). Keď sa svetlo láme a odráža počas dažďa, radujeme sa, keď vidíme dúhu (obr. 2).

Index lomu - dôležitá charakteristika látky s ním spojené fyzikálne a chemické vlastnosti. Závisí od hodnôt teploty, ako aj od vlnovej dĺžky svetla, pri ktorej sa stanovenie uskutočňuje. Podľa údajov kontroly kvality v roztoku je index lomu ovplyvnený koncentráciou látky v ňom rozpustenej, ako aj povahou rozpúšťadla. Najmä index lomu krvného séra je ovplyvnený množstvom v ňom obsiahnutých bielkovín, je to spôsobené tým, že pri rôznych rýchlostiach šírenia svetelných lúčov v médiách s rôznou hustotou sa mení ich smer na rozhraní medzi týmito dvoma médiá. Ak vydelíme rýchlosť svetla vo vákuu rýchlosťou svetla v skúmanej látke, dostaneme absolútny index lomu (index lomu). V praxi sa určuje relatívny index lomu (n), čo je pomer rýchlosti svetla vo vzduchu k rýchlosti svetla v skúmanej látke.

Index lomu sa určuje kvantitatívne pomocou špeciálneho zariadenia - refraktometra.

Refraktometria je jednou z najjednoduchších metód fyzikálnej analýzy a možno ju použiť v laboratóriách kontroly kvality pri výrobe chemických, potravinárskych, biologicky aktívnych potravinárskych aditív, kozmetiky a iných druhov výrobkov s minimálnym časom a počtom testovaných vzoriek.

Konštrukcia refraktometra je založená na skutočnosti, že svetelné lúče sa úplne odrážajú pri prechode cez rozhranie dvoch médií (jedno z nich je sklenený hranol, druhé je testovací roztok) (obr. 3).

Ryža. 3. Schéma refraktometra

Zo zdroja (1) dopadá svetelný lúč na zrkadlovú plochu (2), potom odrazom prechádza do horného osvetľovacieho hranola (3), potom do spodného meracieho hranola (4), ktorý je vyrobený zo skla vysoký index lomu. Medzi hranoly (3) a (4) sa pomocou kapiláry nanesú 1–2 kvapky vzorky. Aby nedošlo k mechanickému poškodeniu hranola, je potrebné nedotýkať sa jeho povrchu kapilárou.

Cez okulár (9) je vidieť pole s prekríženými čiarami na vytvorenie rozhrania. Pri pohybe okuláru musí byť priesečník polí zarovnaný s rozhraním (obr. 4) Rovinu hranola (4) zohráva úlohu rozhrania, na povrchu ktorého sa láme svetelný lúč. Keďže lúče sú rozptýlené, hranica medzi svetlom a tieňom je rozmazaná, dúhová. Tento jav je eliminovaný disperzným kompenzátorom (5). Lúč potom prechádza cez šošovku (6) a hranol (7). Doštička (8) má zameriavacie čiary (dve krížom prekrížené rovné čiary), ako aj stupnicu s indexmi lomu, ktorá sa pozoruje cez okulár (9). Z neho sa vypočíta index lomu.

Deliaca čiara medzi hranicami poľa bude zodpovedať uhlu vnútorného totálneho odrazu, ktorý závisí od indexu lomu vzorky.

Refraktometria sa používa na stanovenie čistoty a pravosti látky. Táto metóda sa používa aj na stanovenie koncentrácie látok v roztokoch pri kontrole kvality, ktorá sa vypočítava pomocou kalibračného grafu (graf zobrazujúci závislosť indexu lomu vzorky od jej koncentrácie).

V spoločnosti KorolevPharm sa index lomu stanovuje v súlade so schválenou regulačnou dokumentáciou pri vstupnej kontrole surovín, vo extraktoch vlastnej výroby, ako aj pri výrobe. hotové výrobky. Stanovenie vykonávajú kvalifikovaní pracovníci akreditovaného fyzikálno-chemického laboratória pomocou refraktometra IRF-454 B2M.

Ak podľa výsledkov ovládanie vstupu index lomu suroviny nezodpovedá nevyhnutné požiadavky, vystavuje oddelenie kontroly kvality Správu o nezhode, na základe ktorej sa táto šarža surovín vracia dodávateľovi.

Spôsob stanovenia

1. Pred začatím meraní sa skontroluje čistota povrchov hranolov, ktoré sa navzájom dotýkajú.

2. Kontrola nulového bodu. Naneste 2÷3 kvapky destilovanej vody na povrch meracieho hranola a opatrne ho prikryte osvetľovacím hranolom. Otvoríme osvetľovacie okno a pomocou zrkadla nainštalujeme zdroj svetla v najintenzívnejšom smere. Otáčaním skrutiek okuláru získame v jeho zornom poli jasné, ostré rozlíšenie medzi tmavým a svetlým poľom. Otočíme skrutku a nasmerujeme čiaru tieňa a svetla tak, aby sa zhodovala s bodom, kde sa čiary pretínajú v hornom okienku okuláru. Na zvislej čiare v spodnom okienku okuláru vidíme požadovaný výsledok - index lomu destilovanej vody pri 20°C (1,333). Ak sa namerané hodnoty líšia, pomocou skrutky nastavte index lomu na 1,333 a pomocou kľúča (odstráňte nastavovaciu skrutku) priveďte hranicu tieňa a svetla do bodu, kde sa čiary pretínajú.

3. Určte index lomu. Zdvihneme komoru osvetľovacieho hranola a vodu odstránime filtračným papierom alebo gázovým obrúskom. Potom naneste 1-2 kvapky testovacieho roztoku na povrch meracieho hranola a komoru zatvorte. Otáčajte skrutky, kým sa hranice tieňa a svetla nezhodujú s priesečníkom čiar. Na zvislej čiare v spodnom okienku okuláru vidíme požadovaný výsledok – index lomu testovanej vzorky. Index lomu vypočítame pomocou stupnice v spodnom okienku okuláru.

4. Pomocou kalibračného grafu stanovíme vzťah medzi koncentráciou roztoku a indexom lomu. Na zostavenie grafu je potrebné pripraviť štandardné roztoky niekoľkých koncentrácií s použitím liečiv chemicky čisté látky, zmerajte ich indexy lomu a vyneste získané hodnoty na zvislú os a na vodorovnú os vyneste zodpovedajúce koncentrácie roztokov. Je potrebné zvoliť koncentračné intervaly, pri ktorých sa pozoruje lineárny vzťah medzi koncentráciou a indexom lomu. Zmeriame index lomu skúmanej vzorky a pomocou grafu určíme jeho koncentráciu.

NA PREDNÁŠKU č.24

"INSTRUMENTÁLNE METÓDY ANALÝZY"

REFRAKTOMETRIA.

Literatúra:

1. V.D. Ponomarev" Analytická chémia» 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko „Analytická chémia“ 2004, s. 181-184

REFRAKTOMETRIA.

Refraktometria je jednou z najjednoduchších fyzikálnych metód analýzy za cenu minimálne množstvo analytu a uskutočňuje sa vo veľmi krátkom čase.

Refraktometria- metóda založená na fenoméne lomu alebo lomu t.j. zmena smeru šírenia svetla pri prechode z jedného média do druhého.

Lom svetla, ako aj absorpcia svetla, je dôsledkom jeho interakcie s médiom. Slovo refraktometria znamená meranie lom svetla, ktorý sa odhaduje hodnotou indexu lomu.

Hodnota indexu lomu n závisí

1) o zložení látok a systémov,

2) zo skutočnosti v akej koncentrácii a s akými molekulami sa svetelný lúč na svojej ceste stretáva, pretože molekuly vystavené svetlu rôzne látky polarizované inak. Práve na tejto závislosti je založená refraktometrická metóda.

Táto metóda má množstvo výhod, v dôsledku ktorých našla široké uplatnenie ako v chemickom výskume, tak aj pri riadení technologických procesov.

1) Meranie indexov lomu je veľmi jednoduchý proces, ktorý sa vykonáva presne, s minimálnym časom a množstvom látky.

2) Refraktometre zvyčajne poskytujú presnosť až 10 % pri určovaní indexu lomu svetla a obsahu analytu

Metóda refraktometrie sa používa na kontrolu pravosti a čistoty, na identifikáciu jednotlivých látok a na stanovenie štruktúry organických a anorganických zlúčenín pri štúdiu roztokov. Refaktometria sa používa na stanovenie zloženia dvojzložkových roztokov a pre ternárne systémy.

Fyzikálne základy metóda

INDEX LOMU.

Odchýlka svetelného lúča od jeho pôvodného smeru pri prechode z jedného prostredia do druhého je tým väčšia väčší rozdiel v rýchlosti šírenia svetla v dvoch



tieto prostredia.

Uvažujme lom svetelného lúča na hranici dvoch priehľadných médií I a II (pozri obr.). Súhlasíme s tým, že médium II má väčšiu refrakčnú silu, a preto n 1 A n 2- ukazuje lom odpovedajúceho média. Ak médium I nie je vákuum alebo vzduch, potom pomer sinového uhla dopadu svetelného lúča k sinovému uhlu lomu dá hodnotu relatívny ukazovateľ refrakcia n rel. Hodnota n rel. možno definovať aj ako pomer indexov lomu uvažovaného média.

n rel. = ----- = ---

Hodnota indexu lomu závisí od

1) povaha látok

Povaha látky je v tomto prípade určená stupňom deformovateľnosti jej molekúl vplyvom svetla – mierou polarizovateľnosti. Čím intenzívnejšia je polarizácia, tým silnejší je lom svetla.

2)vlnová dĺžka dopadajúceho svetla

Meranie indexu lomu sa uskutočňuje pri vlnovej dĺžke svetla 589,3 nm (čiara D sodíkového spektra).

Závislosť indexu lomu od vlnovej dĺžky svetla sa nazýva disperzia. Čím je vlnová dĺžka kratšia, tým je lom väčší. Preto sa lúče rôznych vlnových dĺžok lámu rôzne.

3)teplota , pri ktorej sa meranie vykonáva. Predpokladom na určenie indexu lomu je poddajnosť teplotný režim. Zvyčajne sa stanovenie vykonáva pri 20 ± 0,3 0 C.

So zvyšujúcou sa teplotou index lomu klesá, so znižovaním teploty stúpa..

Korekcia na vplyv teploty sa vypočíta pomocou nasledujúci vzorec:

nt = n20 + (20-t) 0,0002, kde

n t – Zbohom nastavovač lomu pri danú teplotu,

n 20 - index lomu pri 20 0 C

Vplyv teploty na hodnoty indexov lomu plynov a kvapalín je spojený s hodnotami ich koeficientov objemovej expanzie. Objem všetkých plynov a kvapalín sa pri zahrievaní zvyšuje, hustota klesá a v dôsledku toho sa indikátor znižuje

Index lomu meraný pri 20 °C a vlnovej dĺžke svetla 589,3 nm je označený indexom n D 20

Závislosť indexu lomu homogénneho dvojzložkového systému od jeho stavu sa stanoví experimentálne stanovením indexu lomu pre množstvo štandardných systémov (napríklad roztokov), ktorých obsah zložiek je známy.

4) koncentrácia látky v roztoku.

Pre mnohé vodné roztoky látok sa spoľahlivo merajú indexy lomu pri rôznych koncentráciách a teplotách a v týchto prípadoch možno použiť referenčné knihy refraktometrické tabuľky. Prax ukazuje, že s obsahom rozpustenej látky nepresahujúcim 10-20% spolu s grafická metóda v mnohých prípadoch môžete použiť lineárna rovnica typ:

n=n o +FC,

n- index lomu roztoku,

č- index lomu čistého rozpúšťadla,

C- koncentrácia rozpustenej látky, %

F-empirický koeficient, ktorého hodnota sa zistí

stanovením indexu lomu roztokov známej koncentrácie.

REFRAKTOMETRE.

Refraktometre sú prístroje používané na meranie indexu lomu. Existujú 2 typy týchto zariadení: refraktometer typu Abbe a typ Pulfrich. V oboch prípadoch sú merania založené na určení maximálneho uhla lomu. V praxi sa používajú refraktometre rôzne systémy: laboratórne-RL, univerzálne RLU atď.

Index lomu destilovanej vody je n 0 = 1,33299, ale prakticky sa tento ukazovateľ považuje za referenčný ako n 0 =1,333.

Princíp činnosti refraktometrov je založený na stanovení indexu lomu metódou limitného uhla (uhol úplného odrazu svetla).

Ručný refraktometer

Abbeho refraktometer