Методическая разработка. 1. 1 Теоретические основы метода рефрактометрии

 

Методическая разработка

для студентов лечебного и педиатрического факультетов

к лабораторной работе

 

«Рефрактометрия»

1. Научно-методическое обоснование темы:

Показатель преломления является важной оптической характеристикой прозрачных сред. Она, например, определяет функционирование хрусталика глаза.

Метод измерения показателя преломления – рефрактометрия – широко применяется в практике лабораторных исследований для определения концентрации вещества в растворе, установления его подлинности и чистоты.

 

 

2. Краткая теория:

Пусть две прозрачные среды находятся в контакте, и из первой среды во вторую распространяется луч света (рис.1, а, б). Тогда на границе раздела двух сред происходит отражение и преломление (рефракция) света.

Абсолютный показатель преломления среды

 

, (1)

 

где c - скорость распространения света в вакууме; - скорость распространения света в данной среде.

Рис.1

 

Относительный показатель преломления сред

 

, (2)

 

где и - абсолютные показатели преломления сред.

При переходе света из среды с меньшим показателем преломления (оптически менее плотная среда) в среду с большим показателем преломления (оптически более плотная среда) угол падения луча больше угла преломления (рис.1, а). Если луч падает на границу раздела сред под наибольшим возможным углом (луч скользит вдоль границы раздела сред), то он будет преломляться под углом . Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Из закона преломления света следует

 

(3)

 

 

откуда

 

, (4)

 

 

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (рис.1, б). При некотором угле падения луча угол преломления равен , т.е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. При дальнейшем увеличении угла падения преломление не происходит; весь падающий свет отражается от границы раздела сред (полное отражение). Угол называется предельным углом полного отражения и обозначается . Так как

 

(5)

 

 

то

 

, (6)

 

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ – рефрактометрах (рис.2, а, б, в), используемых при определении

 

 

 

Рис.2

 

чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ и т.д.

Показатель преломления растворов определяется показателем преломления растворителя и линейно зависит от концентрации растворенного вещества:

 

, (7)

 

где А – коэффициент пропорциональности, характерный для данного растворенного вещества. Значения этого коэффициента определены с высокой точностью для многих веществ. Поэтому формулу (1) можно использовать для измерения концентрации различных веществ, используя приборы для определения показателя преломления – рефрактометры.

Рефрактометр (рис.3) предназначен для измерения коэффициента преломления растворов различных веществ. Принцип действия рефрактометра состоит в измерении предельного угла преломления на границе исследуемой жидкости и стеклянной призмы с известным коэффициентом преломления. Рефрактометр состоит из двух призм: вспомогательной откидной призмы 1 с матовой нижней гранью 2 и измерительной призмы 3. Призмы соприкасаются гипотенузными гранями, между которыми имеется зазор около 0,1 мм, в который помещается несколько капель исследуемой жидкости 4. Измеряется предельный угол преломления на границе жидкость - измерительная призма.

 

 

Рис.3. – блок-схема рефрактометра: 1 – вспомогательная откидная призма с матовой гранью 2; 3 – измерительная призма; 4 – исследуемая жидкость; 5 – отсчетное устройство; 6 – компенсатор; 7 – глаз; б – схема рассеяния света матовой нижней гранью 2 откидной призмы.

 

Величину угла и, соответственно, коэффициент преломления определяют с помощью отсчетного устройства 5. Встроенный в него компенсатор 6 позволяет сделать границу свет-тень черно-белой при освещении белым светом.

Луч света, проходя через вспомогательную откидную призму 1, рассеивается на матовой нижней грани 2. При этом рассеянные лучи распространяются во всех направлениях, в том числе и параллельно поверхности измерительной призмы 3 (рис.3, б).

Далее эти лучи преломляются на границе жидкость 4 – измерительная призма 3, и, пройдя сквозь эту призму 3, попадают в отсчетное устройство 5. Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, то лучи света входят в призму 3 в пределах от 0 до . Пространство внутри этого угла будет освещенным, а вне его – темным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубу, разделено на две части: темную и светлую. Положение границы раздела света и тени определяется предельным углом преломления, зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

Если исследуемая жидкость имеет большой показатель поглощения (мутная, окрашенная жидкость), то во избежание потерь энергии при прохождении света через жидкость измерения проводят в отраженном свете. Если жидкость оптически менее плотная, чем стекло, из которого изготовлена призма, то лучи, падающие под углами, большими , будут испытывать полное внутреннее отражение и выходить через вторую боковую грань измерительной призмы в зрительную трубу. Поле зрения, как и в первом случае, окажется разделенным на светлую и темную части. Положение границы раздела в данном случае определяется предельным углом полного отражения , также зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

Если граница свет – тень оказалась окрашенной и размытой, то с помощью компенсатора 6 надо добиться резкой черно-белой границы. Конструкция отсчетного устройства 5 такова, что позволяет путем специального рычага совместить границу свет-тень с маркером отсчетного устройства. При этом маркер показывает на встроенной шкале непосредственно значения показателя преломления.