Лабораторная работа 17

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 впрозрачных 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:

,

Рис.1.

где n₁ – показатель преломления жидкости, а n₂ – показатель преломления призмы (n₁ < n₂), r₀ – предельный угол полного внутреннего отражения.

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 n_к, а средняя - из флинта (n_ф, n_ф> n_к). 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.

Рис. 2. Ход лучей в призме Амичи.

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.

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.

Рис. 3. Внешний вид рефрактометра РДУ